Содержание к диссертации
Введение
1. Анализхарактеристикпсевдослучайных последовательностей и методов поиска шумоподобных сигналов 15
1.1. Характеристики шумоподобных сигналов, применяемых в цифровых системах передачи информации 15
1.2. Классификация псевдослучайных последовательностей 18
1.3. Анализ методов кодовой синхронизации шумоподобных сигналов 28
1.4. Выводы по главе 1 38
2. Разработка и исследование алгоритмов и устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов 41
2.1. Постановка задачи поиска шумоподобных сигналов 41
2.2. Синтез устройства быстрого поиска с нелинейной фильтрацией шумоподобных сигналов 42
2.3. Разработка адаптивного алгоритма нелинейной фильтрации шумоподобных сигналов , 55
2.4- Исследования помехоустойчивости устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов 65
2.5. Выводы по главе 2 73
3. Анализ времени поиска шумоподобного сигнала устройствами быстрого поиска 75
3.1. Сравнительная оценка статистических характеристик обнаружения устройствами быстрого поиска 75
3.2. Сравнительная оценка времени поиска шумоподобного сигнала устройствами быстрого поиска 80
3.3. Анализ временных затрат на распознавание шумоподобных сигналов устройствами быстрого поиска 87
3.4. Разработка рекомендаций по аппаратно-программной реализации устройств быстрого поиска 91
3.5. Выводы по главе 3 99
4. Разработка и исследование метода защиты устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов от гармонических помех 101
4.1. Постановка задачи 101
4.2. Анализ действия гармонических помех на устройство быстрого поиска шумоподобных сигналов 102
4.3. Разработка метода защиты устройства быстрого поиска шумоподобных сигналов от мощной гармонической помехи 104
4.4. Исследование эффективности устройства защиты от мощных гармонических помех 113
4.5- Выводы по главе 4 117
Заключение 118
Библиографический список использованной
Литературы 121
- Характеристики шумоподобных сигналов, применяемых в цифровых системах передачи информации
- Синтез устройства быстрого поиска с нелинейной фильтрацией шумоподобных сигналов
- Сравнительная оценка статистических характеристик обнаружения устройствами быстрого поиска
- Разработка метода защиты устройства быстрого поиска шумоподобных сигналов от мощной гармонической помехи
Введение к работе
В перспективных планах развития динамически развивающихся отраслей (нефтяной, газовой и др.) все большее внимание придается задачам мониторинга и управления удаленными объектами. Решение подобных задач требуется также в коммунальном городском хозяйстве. Системы газо-, водо-и теплоснабжения требуют оперативного и централизованного сбора технологической информации с многочисленных оконечных распределительных пунктов, оценки состояния объектов и, при необходимости, срочного вмешательства с целью предотвращения утечки или аварии. Аналогичные задачи стоят при управлении производственными процессами и охране разнообразных объектов, при оптимизации работы транспорта,.
Одной из ключевых задач проектирования систем мониторинга и управления распределенными объектами является организация подсистем сбора и доставки информации, служебной связи. Прокладка кабельных линий связи до каждого объекта часто невозможна по техническим или финансовым соображениям. Одним из эффективных путей по обеспечению передачи информации является использование радиоканалов, что обусловлено факторами экономичности, мобильности и оперативности.
При использовании радиоканалов для передачи информации необходимо обеспечить надежную работу в условиях совместного использования выделенного частотного ресурса многочисленными радиоэлектронными системами, В связи с постоянным ростом количества и типов радиоэлектронных средств решить задачу достоверного приема информации в условиях сложной помеховой обстановки можно только за счет увеличения мощности радиопередающих устройств. Но введение в эксплуатацию радиоэлектронных систем с повышенным энергетическим потенциалом радиопередающих средств увеличивает уровень электромагнитного загрязнения [1], Рост излучаемой мощности ограничен установленными пределами безопасности для человеческого организма и нормами, ограничивающими уровни мощности внеполосных радиоизлучений [2], побочных радиоизлучений [3] и индустриальных радиопомех [4,5}.
Другой актуальной задачей, требующей решения, является повышение уровня конфиденциальности передаваемой по радиоканалу информации. Требование повышения степени защиты информации наиболее остро проявилось в современных условиях. Обеспечение информационной безопасности каналов сбора информации становится еще более актуальным в рамках декларированной программы усиления антитеррористической деятельности. В условиях усиления конкурентной борьбы возрастает роль защиты информации и в радиоканалах, используемых коммерческими структурами.
Значительно снизить степень электромагнитного загрязнения с одновременным повышением уровня конфиденциальности передаваемой информации при использовании радиоканала в цифровых системах передачи информации (СПИ) можно в случае использования сигналов с расширением спектра - шумоподобных сигналов (ШПС) [6-18].
Цифровые СПИ на основе ШПС обладают рядом важных преимуществ перед традиционными узкополосными системами, в частности, им не требуется выделенный частотный диапазон. Сегодня, когда частотные диапазоны - один из дорогих и дефицитных товаров, подобное свойство особенно привлекательно. Системы с ШПС имеют повышенную помехоустойчивость при воздействии преднамеренных и естественных помех, высокую энергетическую скрытность сигналов, повышенную пропускную способность, устойчивость к многолучевостиит. д.
Основой для формирования ШПС служат псевдослучайные кодовые последовательности (ПСП), используемые для модуляции сигнала несущей частоты. Свойства цифровых СПИ с ШПС непосредственно зависят от характеристик применяемых ПСП, основными из которых являются: "хорошие" автокорреляционные и взаимнокорреляционные характеристики, сба лансированность структуры, высокая эквивалентная линейная сложность, большой ансамбль сигналов, простота генерации [ 12-17,19-22],
Большинство известных ПСП не удовлетворяют в полной мере поставленным требованиям. Поэтому научная активность в области отыскания новых законов формирования ПСП остается устойчиво высокой, вследствие чего номенклатура ПСП постоянно расширяется. Возникла необходимость систематизировать известные и вновь разработанные ПСП, чтобы обеспечить возможность обоснованного выбора ПСП при проектировании цифровых СПИ.
Все ПСП условно можно разделить на линейные и нелинейные [12-17,19-22]. Нелинейные последовательности значительно превосходят линейные ПСП по структурной скрытности, но для их генерации необходимы более сложные устройства формирования [22], Повысить структурную скрытность позволяет также использование многозначных символов для построения ПСП, но за счет значительного усложнения схем формирования и обработки [16,21],
Широкое распространение для формирования ЩПС вследствие простоты генерирования и обработки получили линейные рекуррентные последовательности [6,8,13-16]. При использовании таких последовательностей повышения степени конфиденциальности можно достичь за счет увеличения базы сигнала, что усложняет процесс установления кодовой синхронизации. Существующие алгоритмы поиска ШПС для обеспечения кодового синхронизма имеют высокую вычислительную сложность или не удовлетворяют требованиям быстродействия.
Поэтому не прекращаются интенсивные исследования в области разработки методов и устройств быстрого поиска ШПС как у нас в стране, так и за рубежом. Если ранее сдерживающим фактором для внедрения методов быстрого поиска ШПС являлось недостаточное развитие элементной базы, то на современном этапе имеются признаки «дефицита» алгоритмов. Следова тельно, разработка новых и совершенствование известных алгоритмов и устройств быстрого поиска (УБП) ШПС является актуальной задачей..
К перспективным алгоритмам поиска относят метод последовательной оценки символов и его модификации [23-28], Однако, известные методы последовательной оценки символов с увеличением длины ПСП не всегда позволяют достичь приемлемых уровней помехоустойчивости и времени вхождения в кодовый синхронизм.
Повысить помехоустойчивость метода последовательной оценки символов и сократить время вхождения в кодовый синхронизм можно за счет использования статистической избыточности, заложенной при кодировании в ПСП [29-32]. Применение в диссертационной работе аппроксимации ПСП сложной цепью Маркова и теории нелинейной фильтрации марковских процессов позволили получить рекуррентные уравнения фильтрации ШПС, на основе которых синтезированы УБП [А1,А2]. Результаты исследований помехоустойчивости разработанных устройств поиска бинарных ШПС [А1,А8,А11] показали более высокую эффективность» чем устройства поиска ШПС, предложенные Р. Уордом [33],
Важным достоинством разработанных устройств, является то, что в условиях априорной неопределенности о времени прихода ШПС они хорошо приспособлены для построения простых в реализации адаптивных устройств поиска ШПС с лучшими характеристиками, чем без адаптации,
В результате исследований установлено, что адаптивные устройства поиска ШПС обладают лучшими статистическими характеристиками обнаружения и распознавания, чем неадаптивные [А1,А8,А11]. Также в адаптивных устройствах поиска по сравнению с неадаптивными при отсутствии ШПС уменьшается время поиска ШПС за счет снижения количества ложных тревог. Сокращение времени поиска пропорционально получаемому за счет нелинейной фильтрации выигрышу в отношении сигнал-шум,.
Быстрое совершенствование элементной базы, автоматизированных средств проектирования электронной аппаратуры, методов цифровой об работки сигналов, телекоммуникационных и информационных технологий позволяет сократить разрыв между теорией и практикой- С учетом этих требований разработаны принципы программно-аппаратурной реализации, на основе которых полученыпобеспечивающие минимум технических и временных ресурсов, варианты реализации основных блоков синтезированных устройств.
Указанные выше методы обработки ШПС основывались на предположении, что все параметры сигнала, за исключением информационного, известны, и на входе УБП действует только белый гауссовский шум. Такой подход является обоснованным, так как позволяет получить результаты, близкие к потенциально возможным,
В действительности на входе УБП цифровых СПИ могут воздействовать помехи, различные по мощности и характеру. Во многих фундаментальных работах по теории ШПС указано» что наиболее опасными для цифровых СПИ с ШПС являются мощные узкополосные, в частности гармонические помехи [3,11,35].
Исследования показали, что мощные гармонические помехи могут полностью нарушить нормальное функционирование разработанных устройств поиска ШПС [А2,А12,А13]. Важным достоинством синтезированных УБП, предназначенных для поиска ШПС в белом гауссовском шуме, является способность обнаруживать стационарные мощные гармонические помехи за счет структурных различий ШПС и гармонических помех.
Данные особенности синтезированных устройств поиска позволили разработать эффективный и простой в реализации метод подавления гармонической помехи, применимый в условиях полной или частичной информации о ее параметрах. Так, незначительное усложнение структуры УБП с нелинейным фильтром позволяет одновременно с поиском ШПС измерять цифровыми методами амплитуду и частоту обнаруженной гар монической помехи, а полученные оценки параметров помехи использовать для ее компенсации [А2,А13].
Проведенные в работе исследования показали высокую эффективность методов ослабления негативного действия гармонической помехи на устройство быстрого поиска ШПС.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов и устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов при наличии белого гаус-совского шума и мощных гармонических помех в цифровых системах передачи информации, обеспечивающих низкий уровень электромагнитной загрязненности и повышенную степень конфиденциальности.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Ь Проведение систематизации существующих ПСП, которая позволит обеспечить при проектировании цифровых СПИ обоснованный выбор ПСП на основе системного анализа их характеристик. Использование полученных результатов для анализа методов поиска ШПС и выбора метода, обеспечивающего сокращение времени поиска ШПС при допустимых технических затратах,
2. Разработка алгоритма и устройства нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на двоичных линейных рекуррентных последовательностях, базирующихся на представлении ПСП марковским процессом с конечным числом состояний, и синтеза на основе разработанного метода структуры устройства поиска ШПС при действии белого га-уссовского шума.
3. Разработка метода адаптивной фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на двоичных линейных рекуррентных последовательностях, и синтеза на его основе алгоритмов и структур УБП ШПС в условиях априорной неопределенности о времени появления ШПС, позволяющих сократить время поиска ШПС
4, Исследование механизма возникновения ошибок в адаптивном и неадаптивном УБП и помехоустойчивости разработанных устройств поиска в условиях действия белого гауссовского шума; проведение количественного и качественного анализа статистических характеристик УБП.
5. Разработка метода и устройства защиты УБП ШПС от мощной гармонической помехи и исследование эффективности устройства защиты.
6- Разработка принципов программно-аппаратной реализации разработанных УБП,.
При теоретических исследованиях используются методы статистической теории связи, теории оптимальной нелинейной фильтрации» теории условных марковских процессов, математической статистики и методы статистического моделирования на ЭВМ.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты:
1. Результаты систематизации и системного анализа характеристик пса
2. Алгоритм и структура УБП, которые базируются на нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС и позволяют по сравнению со стандартным методом последовательной оценки символов сократить время поиска ШПС при небольших затратах технических ресурсов.
3. Метод и структура адаптивной фильтрации дискретного параметра ШПС, обеспечивающие при отсутствии априорной информации о времени прихода искомого ШПС высокий уровень системных характеристик цифровых СПИ.
4. Результаты количественного и качественного анализа помехоустойчивости и временных параметров УБП при наличии белого гауссовского шума.
5. Метод защиты УБП от мощной гармонической помехи, основанный на свойстве нелинейного фильтра УБП обнаруживать гармоническую помеху за счет структурного отличия от искомого ШПС и оценивании цифровыми способами параметров помехи.
6. Результаты исследований эффективности блока защиты УБП от мощной гармонической помехи.
Новизна научных результатов состоит в следующем:
1. Проведенная систематизация ПСП обеспечивает при проектировании цифровых СПИ условий обоснованного выбора ПСП на основе системного анализа их характеристик и использование полученных результатов для выбора метода поиска ШПС, обеспечивающего сокращение времени поиска ШПС при невысоких аппаратурных затратах.
2. Представление двоичных рекуррентных ПСП в виде цепи Маркова позволило расширить рамки применимости теории условных марковских процессов в задачах синтеза алгоритмов и устройств поиска ШПС и выразилось в расширении класса фильтруемых процессов.
3. Разработанный метод адаптивной фильтрации дискретного параметра ШПС обеспечивает по сравнению со стандартным методом после довательной оценки символов сокращение времени поиска ШПС за счет повышения устойчивости режима фильтрации ШПС и снижения уровня ложных тревог.
4. Полученные аналитические выражения позволяют быстро получать количественные оценки помехоустойчивости и времени распознавания ШПС,
5- Разработанный метод защиты УБП от мощной гармонической помехи использует для ее обнаружения имеющиеся технические ресурсы УБП. Практическая ценность результатов заключается в следующем: 1- Разработанные алгоритмы и структуры УБП позволяют применять ШПС для передачи информации в системах управления и контроля, что обеспечивает за счет снижения мощности передатчиков низкий уровень электромагнитной загрязненности и хорошую электромагнитную совместимость с другими системами, повышает степень конфиденциальности передаваемой информации.
2. Разработанные устройства ориентированы на практическую реализацию малыми техническими ресурсами и позволяют сократить время кодовой синхронизации в задачах поиска ШПС при наличии белого гауссовского шума и мощной гармонической помехи,
3. Структура разработанного блока защиты от мощной гармонической помехи обеспечивает подавление помехи в УБП без значительного усложнения структуры.
4. Разработаны рекомендации по цифровой реализации основных блоков УБП на программируемых СБИС с применением компьютерных методов проектирования радиоэлектронной аппаратуры,
5. Разработано прикладное программное обеспечение для исследований помехоустойчивости УБП с нелинейным фильтром с постоянными и переменными параметрами в условиях раздельного и совместного воздействия любых сочетаний ШПС, шума и гармонических помех.
Разработанные алгоритмы и структуры устройств быстрого поиска внедрены в разработках для передачи телеметрической информации в ОАО "ВолгаТелеком" и ГП «Автоматика и вычислительная техника» и подтверждены актами внедрения. Полученные теоретические результаты легли в основу учебного пособия, которое совместно с разработанным прикладным программным обеспечением используются в ВятГУ на кафедре радиоэлектронных средств в учебном процессе по дисциплинам "Теория оптимального приема сигналов", "Теория информации и кодирования", "Телекоммуникационные технологии", о чем свидетельствует акт внедрения в учебный процесс-Работа состоит из четырех глав,
В первой главе проводится анализ выбранной области исследований. С этой целью рассмотрены свойства ШПС, обеспечивающие высокую энергетическую скрытность сигналов цифровых СПИ, снижение мощности передаваемого сигнала, хорошую электромагнитную совместимость с другими системами- Выполнена систематизация известных ПСП, которые применяются для построения ШПС. Проведен анализ свойств и способов формирования ПСП, характеризующих приспособленность ПСП для применения в цифровых СПИ. Особое внимание уделено анализу методов кодовой синхронизации на основе быстрого поиска ШПС.
Установлено, что наиболее перспективными являются устройства поиска с последовательной оценкой символов, требующие для обнаружения и распознавания ШПС малых технических и временных ресурсов- Основой метода является предположение о возможности использования генератора ПСП на основе регистра сдвига для получения оценок символов ПСП искомого ШПС, Ограничивает применение метода недостаточная помехоустойчивость. Одним из возможных путей повышения помехоустойчивости метода является его оптимизация на основе синтеза алгоритмов и устройств, реализующих статистическую избыточность ПСП. Для решения данной задачи предлагается аппроксимировать ПСП сложной цепью Маркова и применить теорию нелинейной фильтрации марковских процессов.
В результате анализа области исследований очерчен и конкретизирован круг решаемых в работе исследований, определяющих актуальность поставленных в диссертации задач.
Во второй главе на основе представления двоичной рекуррентной последовательности сложной цепью Маркова с двумя состояниями, в которой каждый последующий символ однозначно определяется m-значной комбинацией предыдущих символов получено уравнение фильтрации дискретного параметра ШПС- На базе разработанного алгоритма синтезировано УБП на основе нелинейного фильтра для поиска ШПС при постоянном значении параметра рН9 являющегося элементом матрицы вероятностей перехода. Разработан метод адаптивной нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, базирующийся на представлении двоичной ПСП искомого ШПС це пью Маркова с переменной матрицей вероятностей переходов. Исследован механизм нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС разработанных УБП и проведено исследование помехоустойчивости адаптивного и неадаптивного УБП с нелинейным фильтром.
В третьей главе получены выражения для статистических характеристик обнаружения ШПС в УБП с НФ. Определен выигрыш во времени распознавания ШПС на выходе адаптивного и неадаптивного УБП с нелинейным фильтром по сравнению с методом У орда. Определено соотношение во времени распознавания ШПС на выходе адаптивного и неадаптивного УБП. Проведено исследование времени распознавания адаптивного и неадаптивного УБП ШПС. Разработаны принципы программно-аппаратурной реализа-ции, на основе которых получены, обеспечивающие минимум технических и временных ресурсов, варианты реализации основных блоков синтезированных устройств,
В четвертой главе проведен анализ воздействия гармонической помехи на УБП с нелинейным фильтром, предложен метод борьбы с гармонической помехой, основанный на структурных различиях ШПС и гармонической помехи. Разработаны блоки оценивания в цифровой форме параметров гармонической помехи и компенсации мощных гармонических помех. Проведено исследование эффективности разработанного устройства защиты УБП ШПС от мощных гармонических помех.
Основные результаты диссертации опубликованы в 21 работе, в том числе 17-и статьях и тезисах в научно-технических журналах и сборниках трудов, учебном пособии с грифом УМО и трех отчетах по госбюджетным НИР.
Характеристики шумоподобных сигналов, применяемых в цифровых системах передачи информации
Основным условием нормальной работы приемника ШПС является строгое согласование частотно-временных параметров и законов модуляции опорных и принимаемых сигналов, которое обеспечивается системой синхронизации.
Установление синхронизации является одной из наиболее трудно решаемых проблем в широкополосных СПИ. Различают временную, частотную и фазовую синхронизации. Временная синхронизация включает синхронизацию момента прихода сигнала и тактовую синхронизацию, которая определяет частоту повторения элементов ШПС. Обеспечивается временная синхронизация системой слежения за задержкой- Частотная синхронизация возложена на систему частотной автоподстройки, позволяет установить соответствие по частоте между принимаемым сигналом и демодулятором. Фазовая синхронизация необходима для обеспечения когерентного (квазикогерентного) приема и устанавливается системой фазовой автоподстройки частоты [23]. Установление временной, частотной и фазовой синхронизации является одной из наиболее важных проблем в широкополосных СПИ, успешному решению которой посвящено значительное число работ [6-8,15,21-33,61-69].
Системы синхронизации позволяют выполнять слежение за изменяющимися частотно-временными параметрами ШПС: задержкой, частотой, фазой. Однако в начале работы СПИ неопределенность параметров ШПС может быть такой, что следящая система будет разомкнутой. Поэтому должен быть предусмотрен режим поиска, в процессе которого оцениваются значения параметров ШПС,
Различают методы синхронизации с использованием специального сигнала синхронизации, передаваемого по отдельному каналу, и, нашедшие большее распространение на практике, методы синхронизации по информационным ШПС.
В первом случае для синхронизации выделяется отдельный канал, занимающий некоторую полосу частот или некоторый временной интервал в общем цикле передачи- В качестве синхронизирующих сигналов, передаваемых по отдельному каналу, используют различные составные последовательности [13,22,54,62], последовательности быстрого поиска [20,24], согласованные коды [23] и т.д. Синхросигналы позволяют быстро осуществить первоначальную синхронизации в системе и восстановить ее в случае срыва [23].
При синхронизации с использованием отдельного канала расходуется часть мощности передатчика, затрачивается время и полоса частот, что снижает пропускную способность цифровых СПИ. Неодинаковость искажений в трактах передачи, распространения и приема информационных и синхронизирующих сигналов приводит к снижению помехоустойчивости систем [23],
Методы синхронизации по информационным ШПС предполагают, что информация обо всех параметрах сигналов, необходимая для осуществления поиска, захвата и слежения в системе синхронизации, извлекается из принимаемых сигналов. Методы синхронизации по информационным ШПС, достоинством которых является более высокая эффективность использования канала связи, подвержены действию различного рода помех. Поэтому к корреляционным и спектральным свойствам ШПС здесь предъявляются более жесткие требования [12-15,23-26],
На основании анализа известных алгоритмов и устройств быстрого поиска ШПС, реализуемых в системах синхронизации [12-15,23-26,61-69], разобьем их на следующие группы (рис.1,3): последовательный шаговый (циклический) поиск; на базе согласованных фильтров (СФ) или корреляторов; основанный на алгебраических особенностях синхросигналов (рекуррентный поиск). Последовательный шаговый поиск, иногда называемый циклическим, сводится к анализу точек области неопределенности с помощью вычисления на каждом шаге корреляционного интеграла принимаемого и опорного сигналов, по значению которого выносится решение о наличии или отсутствии синхронизации. Последовательный шаговый поиск наиболее подвержен воздействию помех и занимает значительное время [12-14,23,24].
Одним из путей сокращения времени поиска при поочередном просмотре элементов разрешения является применение многоэтапных процедур принятия решения при обнаружении сигнала. При многоэтапной процедуре обнаружения анализ каждой стадии разрешения осуществляется в несколько этапов. Каждый этап характеризуется своим временим анализа и своим порогом принятия решения. Каждый последующий этап проводится только в том случае, если на предыдущем этапе порог превышен. Если такого превышения не произошло, то принимается решение о том, что сигнал либо вообще отсутствует, либо отсутствует с тем значением параметра, который соответствует анализируемому элементу разрешения. В этом случае начинается анализ следующего элемента разрешения.. Окончательное решение о наличии сигнала выносится, если произошло превышение порога на всех этапах обнаружения. Как показывает анализ [23]» использование оптимальных процедур обнаружения уже при двух-трех этапах позволяет существенно сократить время поиска при сохранении высокой достоверности окончательного решения.
Одним из вариантов многоэтапных процедур является алгоритм с длительностью пробных шагов, управляемых в соответствии с алгоритмом принятия решения Вальда [23], Согласно теореме Вальда-Вольфовитца, при фиксированных показателях надежности обнаружения минимальное время анализа элемента получается при использовании последовательной процедуры, основанной на вычислении текущего отношения правдоподобия и непрерывном его сравнении с двумя порогами.
Синтез устройства быстрого поиска с нелинейной фильтрацией шумоподобных сигналов
В данной главе на основе представление двоичной рекуррентной последовательности сложной цепью Маркова с двумя состояниями, в которой каждый последующий символ однозначно определяется т -значной комбинацией предыдущих символов, получено уравнение фильтрации дискретного параметра ШПС. На базе разработанного алгоритма синтезировано УБП с нелинейным фильтром (НФ) для поиска ШПС при постоянном значении параметра рн. Разработан метод адаптивной нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, базирующийся на представлении двоичных ПСП искомого ШПС цепью Маркова с переменной матрицей вероятностей переходов. Иссле-дован механизм нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС в адаптивном и неадаптнвном УБП, проведено исследование помехоустойчивости разработанных УБП с НФ.
Необходимо на основе алгоритмов фильтрации синтезировать структуры УБП для одновременного обнаружения и распознавания дискретного параметра ШПС, сформированных на бинарных рекуррентных ПСП. Будем полагать, что ПСП представляет собой m-ичную цепь Маркова с двумя равновероятными состояниями. Помеха, действующая на входе, представляет собой белый гауссовский шум.
Актуальность задачи обнаружения и распознавания ШПС возрастает при разработке алгоритмов и устройств для поиска ШПС, сформированных на ПСП с периодом L = qm - І при т»\. Наибольший интерес для практики представляют быстрые методы поиска ШПС, требующие для обнаружения и распознавания ШПС минимума технических и временных ресурсов, а также обладающие высокой помехоустойчивостью.
В этом смысле, как отмечено в гл. 1т привлекательны способы поиска ШПС, основанные на методе последовательной оценки символов ПСП. Недостатком, ограничивающим их применение, является низкая помехоустойчивость. Это связано с тем, что основой метода являются интуитивные предпосылки о возможности использования в приемнике ШПС генератора ПСП на регистре сдвига для получения оценок символов ПСП искомого ШПС,
Одним из возможных путей повышения помехоустойчивости метода поиска ШПС с последовательной оценкой символов и накоплением является его оптимизация на основе синтеза алгоритмов и устройств, реализующих информационную избыточность ПСП.
Недостатком УБП с НФ, работающего в режиме поиска ШПС в условиях заданной и постоянной матрицы вероятностей переходов р = const, является накопление шума в отсутствии искомого ШПС- Это приводит при поиске ШПС к появлению относительно большого числа ложных тревог. Для снижения уровня ложных тревог на выходе УБП с НФ необходимо максимально уменьшить эффект накопления шума при отсутствии искомого ШПС за счет переключения на способствующий этому режим фильтрации. С появлением ШПС оптимальный режим фильтрации должен восстанавливатьсяа способствуя накоплению ШПС в УБП с НФ, Изменение характера процесса фильтрации в нелинейном фильтре при отсутствии и наличии ШПС должно происходить автоматически в зависимости от условий приема ШПС, т.е. УБП с НФ должно представлять собой адаптивную систему, настраивающуюся на режим оптимального приема только искомого ШПС.
Пусть на входе УБП в каждом к -м такте работы системы на интервале Т = tk+i —tk наблюдается аддитивная смесь сигнала и шума элементарный сигнал ШПС, дискретный параметр которого р (мани пул ированная фаза, частота и т.д.) в соответствии с правилом кодирования рекуррентной ПСП принимает одно из двух возможных состояний Ф и Ф2; и( ) - белый гауссовский шум с нулевым средним и дисперсией 52п. Предполагается, что ЛРП на основе которой построен искомый ШПС, имеет период L = 2т — 1, где т 1 .
Сравнительная оценка статистических характеристик обнаружения устройствами быстрого поиска
На основе уравнения фильтрации дискретного параметра ШПС синтезирована структура УБП с НФ {pit = const) для одновременного обнаружения и распознавания ШПС, обеспечивающая сокращение времени поиска ШПС и требующая для своей реализации малых технических и временных ресурсов. 2. Для определения характера распределения ошибок на выходе НФ проведен анализ процессов, протекающих в УБП при нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС в условиях заданной и постоянной матрицы вероятностей переходов Р = IpJ . Показано, что для повышения устойчивости работы НФ с постоянной матрицей вероятностей переходов необходимо, чтобы значение /7-(/ = 1,2) находилось в интервале 0,95 рп 1 3. Разработан метод адаптивной нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС» базирующийся на представлении двоичных ПСП искомого ШПС цепью Маркова с переменной матрицей вероятностей переходов, значения которой в каждом такте работы системы управляются результатом сравнения текущей оценки символа ПСП искомого ШПС и экстраполированной на такт оценки ожидаемого символа, полученной в УБП с НФ. 4. Проведено исследование помехоустойчивости неадаптивных УБП с НФ при распознавании двоичных ШПС, показавшее, что они обладают лучшими характеристиками распознавания по сравнению со стандартным методом по-следовательной оценки символов У орда. Выигрыш в отношении сигнал-шум в зависимости от согласованности реальных параметров входного процесса со значениями элементов матрицы вероятностей Р =/ - составляет от одного до шести децибел в диапазоне входных отношений сигнал-шум -6.. ,0 дБ. 5, Исследования помехоустойчивости адаптивных УБП с НФ при распознавании двоичных ШПС показали, что адаптивные УБП обладают более высоким уровнем вероятности распознавания m-значных комбинаций ЛРП, чем неадаптивные УБП при ра = 1. Использование адаптации позволяет обеспечить выигрыш в отношении сигнал-шум от трех до шести децибел за счет обеспечения адаптивной подстройки элементов матрицы вероятности к параметрам реального входного процесса. 6, Для выяснения механизма возникновения ошибок в адаптивном устройстве поиска ШПС были проведены исследования, которые показали, что наилучшие условия фильтрации на начальной стадии адаптации можно обеспечить выбором шага Др#. Предпочтительнее выбирать больший шаг на начальной стадии фильтрации (до 50 тактов) и снижать шаг на последующих тактах фильтрации. 7, Проведенные исследования подтвердили, что для обеспечения высокой степени конфиденциальности для передачи телеметрической и управляющей информации с приемлемой скоростью предпочтительнее использовать степени образующего полинома т, лежащие в диапазоне 7..AS. 8, Для решения поставленных в диссертации задачи снижения электромагнитной загрязненности при одновременном обеспечении высокой степени надежной доставки достоверной информации достаточно работать при мощности передатчиков, обеспечивающих отношение сигнал-шум на видеочастоте -6.-.0 дБ В данной главе получены аналитические выражения для статистических характеристик обнаружения УБП ШПС- Определен выигрыш во времени распознавания ШПС адаптивного и неадаптивного УБП с нелинейным фильтром по сравнению с устройством поиска по методу У орда. Выполнено сравнение времени распознавания ШПС адаптивным и неадаптивным УБП. Проведен анализ временных затрат на распознавание ШПС. Разработаны принципы программно-аппаратурной реализации основных блоков УБП.
Разработка метода защиты устройства быстрого поиска шумоподобных сигналов от мощной гармонической помехи
Кроме фирм, занимающихся разработкой кристаллов ПЛИС и средств их поддержки существуют фирмы, специализирующиеся на разработке систем автоматизированного проектирования: Synopsis, Cadence, Mentor Graphics. Возможности генерации описания аппаратуры на языке VHDL встроены в широко распространенные пакеты разработки цифровой аппаратуры MatLab и System View. Полные версии программных средств разработки являются коммерческими продуктами, но существуют и бесплатные версии со значительными ограничениями возможностей.
Интегрированной средой проектирования цифровой аппаратуры на ПЛИС фирмы Actel является Actel Libero IDE, которая содержит программные продукты: Actel Designer Rl-2003, Synplicity Synplify, Mentor Graphics Modelsim , Synapticad WaveFormer Lite, Actel ViewDraw. Для свободного распространения служит пакет Libero IDE/Designer, ограниченный младшими моделями ПЛИС.
Для разработки цифровых устройств на ПЛИС фирмы Altera предназначена коммерческая версия интегрированной среды MAX+plus П. Имеются также свободно распространяемые пакеты Е+МАХ, MAX+plus II BASELINE, Quartus II Web Edition Software-Программные средства фирмы Xilinx Foundation ISE 4Л.03І представляют собой систему сквозного проектирования цифровых схем. Описания про-ектируемых устройств могут быть представлены в текстовой форме с использованием языков HDL, в виде принципиальных схем или диаграмм состояний. Конфигурация средств проектирования BaseX ISE имеет более низкую стоимость по сравнению с базовой, но поддерживает не все типы ПЛИС. Для сопряжения с системами проектирования других производителей предназначена конфигурация Alliance ISE, Для бесплатного распространения предлагается модификация WebPACK ISE, Значительных успехов в области создания микросхем следующего поколения типа "система на кристалле" - SOC (system on a chip) достигла фирма Atmel. Примером SOC служит серия ПЛИС типа АТ94К, получивших название FPSLIC (Field Programmable System Level Integration Circuts) - программируемые микросхемы системного уровня интеграции.
Комплект программных средств для FPSLIC - System Designer - представляет собой интегрированную среду разработки, в которую впервые как стандартное средство включен модуль коверификации (Co-verification tools). Стандартные средства проектирования FPGA-микросхем модифицированы для работы с FPSLIC- В пакете решена задача защиты проекта от несанкционированного копирования.
Для работы с программируемыми аналоговыми матрицами серии ispPAC фирма Lattice Semiconductor предоставляет средства разработки PACDesigner. Программное обеспечение имеет стандартную библиотеку для реализации типовых схем фильтров, усилителей, сумматоров и т. п. Оно позволяет анализировать АЧХ, ФЧХ и другие характеристики реализуемой схемы.
Компания Mentor Graphics - поставляет семейство средств синтеза -Precision SynthesisT, обеспечивающее высокую производительность и качество проектирования как на существующих сериях ПЛИС, так и на схемах SOC. Пакет представляет собой масштабируемую платформу проектирования широкого диапазона ПЛИС, включая FPGA-архитектур Stratix и Excalibur фирмы Altera, а также архитектуры Virtex компании Xilinx,
В настоящее время получили широкое распространение алгоритмы оптимизации Architecture Signature Extraction (ASE). Так, в комплексном пакете логического синтеза на уровне RTL Precision Synthesis RTL 2002d используется эвристический подход для автоматической оптимизации проектируемых узлов по критериям площади и быстродействия, что позволяет получить на выходе оптимизированную по скорости схему без ручной доработки и дополнительных итераций. Создавать оптимизированные с точки зрения производительности FPGA-проекты позволяет пакет Precision Physical Synthesis 2002& В отличие от традиционного подхода RTL Synthesis + P&R, требующего большого числа итераций, пакет реализует временную оптимизацию на основе конкретных физических параметров библиотек изготовителей, что позволяет сократить или полностью исключить повторные итерации размещения и трассировки. Релиз 2002d ориентирован на дальнейшее улучшение функциональных характеристик синтеза для Xilinx Virtex II и Virtex Е.
Выбор фирмы производителя ПЛИС определяется многими факторами: стоимостью средств проектирования, анонсированными возможностями СБИС, стоимостью чипа, популярностью среди разработчиков аппаратуры и т.д.
На российском рынке широкое распространение получили ПЛИС фирм Xilinx и Altera. Наибольшую популярность имеют ПЛИС с архитектурой многоблочных матриц типа FPGA, содержащих сотни тысяч вентилей и позволяющие строить функционально законченные устройства с возможностью функционирования на частотах в сотни МГц.
Поэтому для проведения расчетов временных и технических затрат были выбраны невысокие по стоимости зарубежные ПЛИС (FPGA) фирм Xilinx (32 бита памяти реализуются на одном программируемом логическом блоке CLB) и Altera (содержит готовые ячейки НИЗУ) и отечественная быстродействующая полузаказная СБИС К1577ХМІ (логическая емкость 2740 вентилей, задержка 1,3 нс/вент.).
