Алгоритмы синхронизации при приеме сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции Унгер Антон Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Быстрое увеличение количества радиоэлектронных систем, использующих общий диапазон частот, и повышение требований к пропускной способности каналов связи вызывает необходимость в улучшении характеристик существующих и поиске новых методов передачи информации. Поиск новых методов передачи информации начинается с выбора сигнального формата.

Для систем спутниковой, мобильной связи, систем специального назначения и телеметрии весьма перспективными являются сигналы с циклически изменяющимся индексом модуляции (ЦИИМ).

В настоящее время такие сигналы являются объектом активных исследований. Примером могут служить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проводимые в рамках Союзного государства и включающие разработку базовых элементов, технологий создания и применения орбитальных и наземных средств многофункциональной космической системы.

Использование сигналов ЦИИМ регламентировано американским стандартом спутниковой связи MIL-STD-188-181 и стандартом аэрокосмической телеметрии IRIG-106.

Техника приема сигналов ЦИИМ к настоящему времени достаточно отработана, но проблему синхронизации, актуальную для всех систем цифровой связи, нельзя считать удовлетворительно решенной. Существующие алгоритмы синхронизации охватывают весьма узкий класс сигнальных форматов и отличаются низкой эффективностью. Более того, исследования в области цикловой синхронизации, необходимой для помехоустойчивого приема сигналов ЦИИМ, практически отсутствуют.

Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, которая направлена на обеспечение высокого качества информационного обмена в существующих и перспективных системах передачи дискретной информации.

Объектами исследования являются системы синхронизации сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции.

Целью диссертационной работы является разработка оптимальных и упрощенных неоптимальных алгоритмов фазовой, тактовой и цикловой синхронизации приемников сигналов ЦИИМ для повышения качества функционирования систем передачи дискретной информации.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Анализ существующих алгоритмов синхронизации приемников сигналов ЦИИМ.

2. Синтез новых эффективных алгоритмов фазовой, тактовой и цикловой синхронизации приемников сигналов ЦИИМ.

3. Анализ статических и динамических характеристик синтезированных алгоритмов синхронизации с помощью компьютерного моделирования.

4. Решение вопросов практической реализации цифрового приемника сигнала ЦИИМ, использующего синтезированные алгоритмы синхронизации, на базе интегральных микросхем с программируемой логикой.

Методы исследования: аппарат условных марковских процессов, методы статистической радиотехники, теория автоматического управления, методы цифровой обработки сигналов, имитационное моделирование, аппаратное макетирование. В работе использованы современные методы расчета и пакеты прикладных программ Microsoft Visual Studio, MATLAB&Simulink, Xilinx ISE.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые дано системное описание и детальный анализ существующих методов синхронизации сигналов ЦИИМ.

2. На основе методов оптимальной нелинейной фильтрации синтезированы новые алгоритмы совместной оценки фазы, задержки и индекса модуляции, применимые к сигналам ЦИИМ с рациональным индексом модуляции и произвольным частотным откликом.

3) Разработаны новые упрощенные неоптимальные алгоритмы
синхронизации, интегрированные в демодулятор Витерби.

4) Построена программно-математическая модель полностью цифрового
приемника сигнала ЦИИМ. С помощью данной модели впервые проведено
всестороннее исследование динамических характеристик синтезированных
алгоритмов синхронизации.

5) На базе микросхем программируемой логики реализованы
формирователь и устройство демодуляции сигналов ЦИИМ.

Практическая ценность работы заключается в разработке способов повышении помехоустойчивости существующих и перспективных систем передачи дискретной информации, использующих сигналы ЦИИМ, за счет оптимальной фильтрации задержки и фазы.

3. Разработанные алгоритмы фазовой и тактовой синхронизации позволят при их внедрении в перспективные разработки систем передачи дискретной информации осуществлять прием сигнала ЦИИМ с флуктуирующей задержкой и фазой с вероятностью ошибки, близкой к вероятности ошибки при идеальной фазовой и тактовой синхронизации.

4. Разработанные алгоритмы оценки задержки и фазы легко интегрируются в структуру демодулятора Витерби, широко используемого для приема и обработки сигналов ЦИИМ.

3) Разработанная программно-математическая модель системы передачи
информации позволяет исследовать работу вновь проектируемых приемников и
систем синхронизации сигналов ЦИИМ как в установившемся, так и в
переходном режиме при различном характере поведения задержки и фазы
сигнала.

4) Предложены способы реализации модулятора и демодулятора
сигналов ЦИИМ, защищенные патентами.

5) Разработан макет цифрового приемо-передающего узла энергетически эффективной помехозащищенной аппаратуры передачи данных спутниковых радиолиний, использующей сигналы ЦИИМ.

Результаты работы использованы в «НИИ КС им. А.А. Максимова» при выполнении научно-исследовательской работы «Разработка и создание приемо-передающих узлов энергетически эффективной помехозащищенной аппаратуры передачи данных спутниковых радиолиний и аппаратуры контроля», проводимой в рамках программы Союзного государства «Разработка базовых элементов, технологий создания и применения орбитальных и наземных средств многофункциональной космической системы» («Космос-НТ»), в АО «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга» в работах, направленных на совершенствование аппаратуры систем передачи данных для радиоканалов со сложной помеховой обстановкой, о чем имеются акты внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях:

1) 59-я научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2010)

2. 6-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2010)

3. 12-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение – DSPA-2010» (Москва, 2010)

4. 8th IEEE East-West design & test symposium (EWDTS-2010) (Санкт-Петербург, 2010)

5. 60-я научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2011)

6. 61-я научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2012)

7) 2-я Международная заочная научно-техническая конференция
«Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT-2012)
(Тольятти, 2012)

8. 1-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем (РАДИОИНФОКОМ-2013)» (Москва, 2013)

9. 7-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2013).

10) 3-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные
проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных
систем» «РАДИОИНФОКОМ-2017» (Москва, 2017).

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 5 статей, 4 из которых – в изданиях, включенных в Перечень ВАК, 10 тезисов докладов, в трудах Всероссийских и Международных научно-технических конференций, 2 патента на полезную модель.

Положения, выносимые на защиту:

1. Синтезированные на основе теории оптимальной нелинейной фильтрации алгоритмы совместной фазовой, тактовой и цикловой синхронизации, позволяют обеспечить прием сигналов ЦИИМ с минимальной средней квадратичной ошибкой в оценке задержки, фазы и индекса модуляции.

2. Разработанные на основе оптимального алгоритма упрощенные алгоритмы фазовой и тактовой синхронизации приемника на основе демодулятора Витерби позволяют обеспечить помехоустойчивость приема, сравнимую с помехоустойчивостью оптимального алгоритма.

3) Использование предложенного алгоритма синхронизации на основе
многофазной решетки в демодуляторе Витерби позволяет обеспечить
квазикогерентный прием сигнала ЦИИМ с неизвестной начальной фазой.

4) Вычислительная сложность разработанных алгоритмов
синхронизации позволяет реализовать приемник сигналов ЦИИМ полностью в
цифровом исполнении на базе интегральных микросхем с программируемой
логикой.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Общий объем работы 158 страниц, в том числе 76 рисунков, 6 таблиц, библиография 63 наименования, 2 приложения.