Содержание к диссертации
Введение
1 Необходимость совершенствования методического обеспечения решения задач ЭМС для РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы .23
1.1 Особенности фазоманипулированных сигналов с позиций решения задач анализа и обеспечения ЭМС РЭС 23
1.2 Общая постановка задачи совершенствования методичес кого обеспечения решения задач ЭМС РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы .30
1.3 Система разрабатываемых моделей и методик для решения задач ЭМС РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы .42
1.4 Выводы .47
2 Разработка моделей, имитирующих работу элементов радио устройств, для решения задач обеспечения ЭМС РЭС , использующих фазоманипулированные сигналы 49
2.1 Модель формирования фазоманипулированных сигналов 49
2.2 Модель, имитирующая передачу информации фазоманипулированными сигналами 57
2.3 Модель, имитирующая помехи на систему приёма-передачи информации фазоманипулированными сигналами 61
2.4 Особенности программной реализации разработанных моделей 65
2.5 Выводы 74
3. Разработка методик обоснования технических мероприятий обеспечения эмс рэс, использующих фазоманипулированные сигналы 76
3.1 Методика определения ограничительной линии внеполосных излучений для
фазоманипулированных сигналов 76
3.2 Методика определения необходимой ширины полосы частот для фазоманипулированных сигналов 82
3.3 Результаты определения необходимой ширины полосы частот и ограничительной линии внеполосных излучений для фазоманипулированных сигналов 89
3.4 Выводы 96
4 Совершенствование методического обеспечения обоснования организационных мероприятий обеспечения эмс для учета особенностей рэс, использующих фазоманипулированные сигналы 98
4.1 Методика определения защитных отношений для РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы 98
4.2 Сравнительные исследования зависимостей ослабления радиопомехи за счет ее отстройки по частоте 105
4.3 Выводы 114
Заключение 116
Список литературы
- Общая постановка задачи совершенствования методичес кого обеспечения решения задач ЭМС РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы
- Модель, имитирующая передачу информации фазоманипулированными сигналами
- Методика определения необходимой ширины полосы частот для фазоманипулированных сигналов
- Сравнительные исследования зависимостей ослабления радиопомехи за счет ее отстройки по частоте
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) систем передачи информации обостряется в связи со стремительным ростом числа вводимых в эксплуатацию различных телекоммуникационных систем, использующих, как правило, новые технологические тренды для передачи данных.При этомосновной акцент делается на: переход от аналоговых к цифровым способам представления информации; внедрение цифровых методов обработки сигналов; применение методов сжатия данных, шифрующих и корректирующих кодов; использование сложных сигналов, методов расширения спектра, систем с кодовым разделением каналов и новых эффективных видов манипуляции сигнала.На практике наибольшее распространение получили средства связи, использующие цифровые сигналы, среди которых используются сигналы c фазовой и частотной манипуляцией.
Данный принцип передачи информации используется в космической, сотовой связи, технологии Wi-fi (Wireless Fidelity – в переводе с англ. беспроводное качество), РЭС военного назначения.Общее же количество РЭС, использующих фазоманип улированные сигналы , например, стандартов IEEE 802.11 или GSM (сигнал которого также может быть представлен в виде фазоманипу-лированного сигнала с Гауссовой формой огибающей элементарной посылки), на территории России исчисляется десятками миллионов.
В рамках данного исследования рассматриваются задачи обеспечения ЭМС на внутрисистемном уровне, которые являются одними из важнейших составляющих в проблеме качественной работы РЭС, а именно, рассматривается проблема размещения необходимого количества каналов связи в заданном диапазоне частот с обеспечением требуемого качества функционирования канала связи с минимальной необходимой шириной полосы частот (НШПЧ) по заданным критериям функциональности.
В констатирующей части Рекомендации N63 Регламента радиосвязи отмечается, что в результате недостаточных исследований формулы для вычисления необходимой ширины полосы частот, приведены для ограниченного перечня классов излучений. В частности, в этом перечне отсутствуют такие перспективные классы излучений, как излучения с бинарной и четырехпозиционной фазовой манипуляцией несущей. Также в законодательных актах наблюдается тенденция сближения распределения и уплотнение использования полос радиочастот.
К задачам, актуальным для РЭС, использующих сигналы с частотной и фазовой (угловой) манипуляцией относятся задачи определения необходимой ширины полосы частот и нормирования ограничительной линии внеполосных излучений, задача определения защитного отношения сигнал/помеха, а так же задача совершенствования методики определения зависимости ослабления радиопомехи от расстройки несущей частоты излучения передатчика и частоты настройки приемника, используемой при расчете норм частотно-территориального разноса (ЧТР) и в задаче оценки ЭМС РЭС.
Степень научной разработанности.
Достаточно мощным инструментом исследований по проблематике ЭМС является теория оптимальных методов приема, основы которой заложены в работах В.А. Котельникова, Ф.Вудворда (Теория вероятностей и теория информации с применением в радиолокации), Тихонова В.И. (Статистическая радиотехника), Амиантова Н.И. (Избранные вопросы теории статистической радиосвязи), Ширмана Я.Д. (Теоретические основы радиолокации), Фальковича С.Е. (Оценка параметров сигналов), Куликова Е.И. (Вопросыоценокпараметров сигналов при наличии помех), Гуткина Л.С. (Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах), Вайштейна Л.А. (Выделение сигналов на фоне флуктуационных помех), Ширмана Я.Д. (Разрешение и сжатие сигналов), Клюева Н.Ф. (Обнаружение импульсных сигналов с помощью накопителей дискретного действия), Кремера И.Я., Владимирова В.И., Карпухина В.И. (Манипулирующие помехи и прием радиосигналов и развиты в более поздних работах и зарубежных ученых: Миддлтон Д. (Введение в статистическую теорию связи), Ван Трис Г. (Теория обнаружения, оценок и манипуляции), Хэлст-ром К. (Статистическая теория обнаружения сигналов ). Данный математиче -ский аппарат активно использовался для решения всех задач обеспечения ЭМС, связанных с учетом процессов формирования и обрабо тки фазоманипулиро -ванных сигналов. Наряду с ним для решения задач ЭМС широкое применение нашли и другие методические подходы, основанные либо на натурных испытаниях, либо на разработке математических моделей процессов формирования и обработки сигналов в радиоэлектронных устройствах в случаях, когда проведение высокозатратных натурных испытаний не целесообразно.Это обуславливает актуальность исследований по обеспечению в рамках технических и организационных мероприятий ЭМС РЭС телекоммуникационных систем, как друг с другом, так и с РЭС другого назначения.
Анализ существующего методического обеспечения решения задач ЭМС в рамках технических и организационны х мероприятий показывает , что для систем, использующих фазоманипулированные сигналы, с целью учета их особенностей, подлежат совершенствованию следующие методики:формирования ограничительной линии внеполосных излучений;определения необходимой ширины полосы частот;определения защитных отношений сигнал/помеха;
Цель и задачи исследования. Цель диссертационного исследованиязак-лючается в разработке и совершенствовании методик решения задач анализа и обеспечения ЭМС систем передачи информации, использующих простые и сложные, двух и четырехпозиционные фазоманипулированные сигналы с различными формами огибающей элементарной посылки. Для ее достижения представляется необходимым решить следующие основные задачи:
- провести анализ современного состояния методического обеспечения ,
применяемого для обеспечения требований по электромагнитной совместимо
сти в РЭС использующих фазоманипулированные сигналы;
- сформировать комплекс моделей элементов радиоприемных и радиопе
редающих устройств фазоманипулированных сигналов, наиболее существен
ных с точки зрения учета влияния вида сигнала, его параметров, процедур фор-
2
мирования и обработки;
-разработать методику формирования эталонной линии внеполосных излучений сигналов с фазовой манипуляцией, позволяющую рассматривать различные формы огибающей элементарной посылки , а также учитывать искажающее влияние элементов передающего тракта;
-разработать методику определения необходимой ширины полосы частот для РЭС использующих простые и сложные, двух и четырехпозиционные фа-зоманипулированные сигналы с различными формами огибающей элементарной посылки;
-разработать методику определения защитного отношения сигнал/помеха для приемников сигналов с фазовой манипуляцией используемых в системах связи, позволяющую без проведения натурных испытаний получать значения защитного отношения для непреднамеренных радиопомех произвольного вида;
- провести практическое исследование предложенных моделей и мето -
дикпри решении проектных и производственных задач.
Научная новизна результатов исследования. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
разработан комплекс математических моделей элементов радиопередающих и радиоприемных устройств с фазовой манипуляцией, отличающийся возможностью использования огибающей элементарной посылки произвольной формы и регулируемым искажающим воздействием полосовых фильтров;
предложена методика формирования ограничительной линии внеполос-ных излучений для фазоманипулированных сигналов, отличающаяся учетом искажающего воздействия усилительного тракта РЭС и возможностью работы с импульсными и непрерывными сигналами с различными формами огибающей элементарной посылки;
разработана методика определения необходимой ширины полосы частот для фазоманипулированных сигналов, отличающаяся использованием ограничения в виде коэффициента энергетических потерь;
предложена методика определения защитного отношения по высокочастотному тракту и на промежуточной частоте приемников фазоманипулирован-ных сигналов, отличающаяся возможностью работы с различного вида импульсными и непрерывными радиопомехами на основе фазо- и частотно- мани-пулированных сигналов, ЛЧМ-сигналов.
Практическая значимость результатов диссертацииопределяется раз-работкоймоделей и методик решения задач нормирования ограничительной линии внеполосныхизлучений, определения необходимой ширины полосы частот, определения значения защитного отношения сигнал/помеха, повышающих адекватность результатов применительно к сигналам с фазовойманипуляцией за счет дополнительного учета особенностей их формирования и обработки.
Основные теоретические и практические результаты работы в виде моделей, методик и программных средств внедрены на предприятии ОАО «Воронежское центральное конструкторское бюро «Полюс», а также в учебный процесс ФГБОУ ВО «Воронежский гос ударственный технический университет » для подготовки бакалавров по направлению 11.03.03 – Конструирование и тех-3
нология электронных средств (профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств») и 12.03.01 – Приборостроение (профиль «Приборостроение»).
Методология и методы исследования. В диссертационном исследовании использовался математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, основы теории статистических решений, аналитические и асимптотические методы математического анализа, методы математического и имитационного моделирования.
Положения, выносимые на защиту.
-
Применение стандартных методик обеспечения ЭМС в отношении РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы, может давать не оптимальные результаты вследствие влияния на спектральные характеристики сигнала формы огибающей элементарной посылки, необходимости учета искажения формы сигнала в передающих и приемных трактах РЭС, наличия кодовых последовательностей и различных способов их обработки, а также в результате сложного характера спектральной плотности мощности излучения, отличающегося от классической колоколообразной формы.
-
Для корректного описания системы приема и передачи информации с использованием фазоманипулированных радиосигналов, необходимо использовать модель формирования сигнала, модель системы приема и передачи информации и модель помеховых воздействий на систему связи. Это позволяет оценить качество функционирования системы связи с учетом искажающих воздействий передающего и приемного трактов РЭС и проанализировать влияние параметров НРП на вероятность сбоя в системе.
3. Методики обеспечения ЭМС систем связи использующих
фазоманипулированные сигналы должны учитывать, что на необходимую
минимальную полосу частот основное влияние оказывает длительность и
форма огибающей элементарной посылки, второстепенное – искажающее
воздействие элементов передающего и приемного трактов, и незначительное –
информационная составляющая.
Степень достоверности и апробация результатовподтверждается обоснованностью принятых при разработке методик допущений и ограничений; корректным применением адекватных математических методов; результатами сравнительных расчетов и их согласованность с основными положениями теории обработки сигналов, а также реализацией разработанного методического и программного обеспечения при решении практических задач в области ЭМС. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2013, 2015); Международной конференции, Российской научной школы и Форума «Системные проблемы надежности, качества, компьютерного моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика—2014)» (Сочи, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 6- в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
Структура и объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 106 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 128 страницах, содержит 70 рисунков и 3 таблицы.
Общая постановка задачи совершенствования методичес кого обеспечения решения задач ЭМС РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы
История использования фазоманипулированных сигналов насчитывает не одно десятилетие. Высокая эффективность, особенно для систем приема и передачи информации, которые сос тавляют сейчас абсолютное большинство разрабатывае -мых и вводимых в эксплуатацию РЭС, способствует широкому распространению таких сигналов, а также развитию технологической базы их использования. Для демонстрации распространенности сигналов с фазовой манипуляцией достаточно упомянуть о том, что они применяются в системах радиорелейной, космической и сотовой связи, а также в сетях беспроводного доступа. В частности, бинарная и че-тырехпозиционная фазовая манипуляция (BPSK и QPSK), а также прямое расширение спектра (DSS) и применение сверточных кодов (т.е. согласованная фильтрация) предусматриваются спецификациями стандартов IEEE 802.11 [37], которые реализуются в том числе и в РЭС военного назначения.
Общее же количество РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы, например, стандартов IEEE 802.11(802.11b, 802.11c, 802.11F, 802.11g, 802.11i, 802.11k, 802.11l, 802.11m, 802.11n) или GSM (сигнал которого также может быть представлен в виде фазоманипулированного сигнала с особой (Гауссовой) формой огибающей элементарной посылки), на территории России исчисляется десятками миллионов [55].
Проблеме обеспечения ЭМС РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы, уделялось и уделяется значительное внимание. Однако большое разнообразие существующих форм технических реализаций радиоэлектронных систем, использующих сигналы с фазовой манипуляцией, не позволило получить однозначные общепринятые решения ряда задач ЭМС, для которых параметры, особенности формирования и обработки сигналов имеют существенное значение. Достаточно мощным инструментом исследований по проблематике ЭМС является теория оптимальных методов приема, основы которой заложены в работах В.А. Котельникова [34], Ф.Вудворда [33,60] и развиты в более поздних работах отечественных [24,34-39] и зарубежных [60-74] ученых. Построенная на основе аппарата математической статистики она позволяет на этапе проектирования находить оптимальные структуры радиосистем по показателям помехозащищенности (помехоустойчивости) на основе исследования свойств сигналов и различных методов их обработки [9]. Данный математический аппарат активно использовался для решения всех задач обеспечения ЭМС, связанных с учетом процессов формирования и обработки фазоманипулированных сигналов [68]. Наряду с ним для решения задач ЭМС широкое применение нашли и другие методические подходы, основанные либо на натурных испытаниях, либо на разработке имитационных моделей процессов формирования и обработки сигналов в радиоэлектронных устройствах в случаях, когда проведение высокозатратных натурных испытаний не было целесообразно.
Следует отметить, что имелся ряд объективных причин, сдерживающих развитие методологии исследований в области ЭМС РЭС в 70-е – 80-е годы прошлого столетия, среди которых можно выделить малую мощность вычислительного парка, большую погрешность имеющихся результатов измерения параметров РЭС, недостаточный объем исходны х данных, необходимых для решения задач ЭМС и др . Следствием этих причин явилось то, что при формировании моделей, используемых в ранее разработанных методиках решения задач ЭМС, основанных на математическом и имитационном моделировании , допускались предположения , сущест венно упрощающие проводимые вычисления и уменьшающие объем используемых дан -ных, за счет некоторого снижения точности и достоверности результатов, необходимость уточнения которых усиливается обострением проблемы обеспечения ЭМС в связи с ростом числа эксплуатируемых РЭС.
Фазоманипулированные сигналы представляют собой последовательность элементарных посылок, каждая из которых характеризуется одним из фиксированных значений фазы (два значения для бинарных сигналов, четыре – для четырехпо-зиционных и т.д.). На видео частоте каждая элементарная посылка представима в виде импульса либо прямоугольной формы в простейшем случае, либо скругленной за счет фильтрации и искажений в элементах передающего тракта , либо целенаправленно задаваемой формы специального вида (гауссовой, синусоидальной и пр.). Спектральные характеристики фазоманипулированных сигналов, посредством которых в основном и определяется влияние вида и параметров манипуляции сигналов на ЭМС РЭС, зависят от длительности и формы огибающей элементарной посылки. При этом, если зависимость спектральных характеристик от длительности элементарной посылки является однозначной (ширина спектра обратно пропорциональна длительности элементарной посылки), то влияние формы огибающей более сложно, но не менее существенно. Так, на рисунке 1.1а представлен бинарный фа-зоманипулированный сигнал с прямоугольной огибающей элементарной посылки (мгновенное переключение фазы) на оси времени и его спектральная характеристи ка, имеющая характер функции
При одной и той же скорости передачи информации ширина СПМИ данных фазоманипулированных сигналов отличается по уровню минус 20 дБ примерно в 2.5 раза, по уровню минус 30 дБ в 7.4 раза и по уровню минус 40 дБ в 17,3 раза, что соответствующим образом сказывается как на уровне НРП, создаваемых внеполосным излучением РЭС, использующих такие сигналы, так и на значении необходимого частотного разноса с этими РЭС.
Появление новых форм огибающей элементарной посылки требует проведения дополнительных исследований, уточняющих характеристики таких сигналов, влияющие на ЭМС. Кроме того, для решения задач ЭМС необходимы дальнейшие исследования по учету искажений сигналов при прохождении через различные элементы радиопередающих и радиоприемных устройств.
В частности, не исследовано влияние на форму огибающей элементарной посылки и частотные характеристики фазоманипулированных сигналов амплитудных искажений в усилительном тракте передатчика. Эффект амплитудно-фазовой конверсии, проявляющийся в виде неоднородного смещения фазы сигнала в зависимости от амплитуды, достигающего 40-60 градусов, приводит к расширению спектра излучаемого сигнала, что существенно снижает эффективность мер по снижению уровня внеполосных излучений фазоманипулированных сигналов за счет сглаживания переходных процессов скачков фазы.
Наряду с формой огибающей элементарной посылки на спектральные характеристики фазоманипулированных сигналов оказывает влияние передаваемая последовательность символов. Наиболее существенно сказываются устойчиво повторяющиеся комбинации символов, наличие которых может быть вызвано или характером передаваемой информации, или используемыми методами кодирования. Так отсутствие скачков фазы или каких-либо переходных процессов на интервале в N элементарных посылок соответствует фазоманипулированному сигналу, имеющему в ТУраз большую длительность элементарной посылки и, соответственно, в ТУраз более узкий спектр.
Модель, имитирующая передачу информации фазоманипулированными сигналами
Методика определения НШПЧ, представленная в п.3.2, основана на поиске решения уравнения (1.2), где модель системы связи позволила использовать в качестве функции G(DFН ) достаточно общий показатель качества функционирования систем приема и передачи информации: вероятность неправильного приема символа. Этот же показатель используется в представленной в п.4.1 методике определения ЗО на основе выражения (1.6), при этом в методике используется модель помеховых воздействий на систему связи фазоманипулированными сигналами.
Помимо использования в качестве основы других моделей, модель формирования фазоманипулированных сигналов используется и самостоятельно в разработанной методике формирования ограничительной линии внеполосны х излучений , представленной в п. 3.1. Эта методика в свою очередь может применяться в процессе получения исходных данных для представленных в п.4.2 аналитических моделей спектральных характеристик методики определения зависимости уровня отклика от отстройки, используемой в задачах расчета норм ЧТР и оценки ЭМС РЭС.
Таким образом, комплекс моделей и методик разработанных в ходе проведения исследований позволяет решить все поставленные задачи по разработке и совершенствованию методического обеспечения решения задач анализа и обеспечения ЭМС РЭС систем связи, использующих фазоманипулированные сигналы, на уровне технических и организационных мероприятий. 1.4 Выводы На основании проведенного анализа особенностей фазоманипулированных сигналов и состояния методического обеспечения решения задач ЭМС сделаны следующие выводы: 1. При решении задач ЭМС существенными факторами, отличающими РЭС, использующие фазоманипулированные сигналы, являются: влияние на спектральные характеристики сигнала формы огибающей элементарной посылки; необходимость учета искажения формы сигнала в различных элементах радиопередающих и радиоприемных устройств; использование кодовых последовательностей и различных способов их обработки, в том числе применение сложных сигналов и согласованной фильтрации; сложный характер СПМИ, отличающийся от принятой при решении задач ЭМС колоколообразной формы. 2. В целях совершенствования существующих методик решения задач ЭМС необходимо провести исследования и решить ряд задач, направленных на: – разработку и совершенствование методического обеспечения определения и нормирования параметров РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы, по ЭМС, в частности, методики определения НШПЧ и методики формирования ограничительной линии внеполосных излучений; – совершенствование методического обеспечения расчета и использования норм ЧТР, а также оценки ЭМС РЭС в целях повышения адекватности результатов расчетов допустимого значения отношения мощности полезного сигнала к мощности НРП, в том числе и для различных значений отстройки. 3. Для решения поставленных задач необходимо провести разработку новых и совершенствование существующих моделей сигналов и элементов радиоэлектронных устройств, предназначенных для использования в методическом обеспечении решения задач ЭМС. В частности, необходимо: – разработать модель формирования фазоманипулированных сигналов для исследования влияния элементов радиопередатчика на спектральные характеристики сигналов, формирования ограничительной линии внеполосных излучений и определения НШПЧ; – разработать модель системы связи фазоманипулированными сигналами, включающей наиболее существенные элементы радиопередающего и радиоприемного устройств, для решения задач определения ЗО сигнал/помеха и зависимости ослабления непреднамеренной помехи от отстройки по частоте. 2 Разработка моделей, имитирующих работу элементов радио устройств, для решения задач обеспечения ЭМС РЭС, использующих фазоманипулированные сигналы
С целью проведения исследований влияния параметров фазоманипулирован-ных сигналов на ЭМС РЭС была разработана обобщенная модель формирования сигналов в радиопередатчике, позволяющая получать цифровые представления фа-зоманипулированных сигналов с различными формами огибающей элементарной посылки импульсных и непрерывных во временной области и на оси частот. В модели, использующей аппарат БПФ, обеспечивается моделирование формирования выборки значений непрерывного сигнала на оси времени с согласованными значениями параметров в начальных и конечных точках рассматриваемого временного промежутка, позволяющее устранить искажения получаемой спектральной характеристики непрерывных сигналов вследствие представления их при выполнении БПФ как бесконечно-периодических, помимо этого, моделирование изменения фазы выходного сигнала в усилительном каскаде передатчика в зависимости от его амплитуды, позволяет учесть эффект амплитудно-фазовой конверсии.
Модель манипулятора предназначена для имитации процесса формирования сигналов с бинарной и четырехпозиционной фазовой манипуляцией (ФМн-2, ФМн-4) и четырехпозиционной фазовой манипуляцией со смещением (СФМн-4) с различными формами огибающей элементарной посылки, а также сигналов с минимальной манипуляцией сдвигом по частоте (ММС).
Манипулятор бинарных фазоманипулированных сигналов ФМн-2 для каждого символа формир ует п рямо угольный им пул ьс напряжен ием +U (если символ «1») или –U (если символ “0”).
Для получения манипуляции сигналами с четырехпозиционной фазовой ма -нипуляцией ФМн-4, СФМн-4 сигнал представляется в виде независимых синфазных и квадратурных составляющих путем умножения синфазной составляющей на cos( 0t), а квадратурной на sin(0t), где 0 – несущая частота сигнала. Помимо этого, для сигналов СФМн-4 вводится задержка одного из каналов на половину длительности элементарной посылки. Это позволяет избежать скачков фазы на 180о, однако делает фазовые переходы в 2 раза более частыми [30,37].
Методика определения необходимой ширины полосы частот для фазоманипулированных сигналов
В Регламенте радиосвязи НШПЧ определяется как ширина полосы частот, которая достаточна для обеспечения передачи сообщений при данном классе излучения с необходимой скоростью и качеством. НШПЧ передающих устройств РЭС является одним из важнейших параметров, влияющих на эффективное использование радиочастотного спектра, и в соответствии с Регламентом радиосвязи относится к числу основных характеристик, которые следует представлять при заявлении частотных присвоений. В констатирующей части Рекомендации N63 Регламента радиосвязи отмечается, что в результате недостаточных исследований, формулы для вычисления НШПЧ приведены для ограниченного перечня классов излучений. В частности, в этом перечне отсутствуют такие перспективные классы излучений, как излучения с бинарной и четырехпозиционной фазовой манипуляцией несущей.
Принятое в Регламенте определение НШПЧ не исключает неоднозначность подхода к оценке ее численного значения. Естественно, что различные подходы могут привести к различным численным значениям НШПЧ, и результирующее стандартизируемое значение НШПЧ может быть получено на основе анализа результатов подобных оценок. Поэтому различные подходы к оценке численного значения НШПЧ, не противоречащие ее определению, имеют право на существование.
Применительно к системам связи фазоманипулированными сигналами возможен следующий подход к оценке НШПЧ: достаточно большое значение ширины полосы излучения обеспечивает требуемые скорость и качество передачи информации, но приведет к неэффективному использованию радиочастотного спектра; уменьшение ширины полосы может привести при заданной скорости передачи к снижению качества передачи за счет межсимвольных искажений; это снижение качества можно компенсировать повышением уровня сигнала на входе приемника. НШПЧ определяется как минимальная ширина полосы излучения, при которой компенсирующее повышение уровня сигнала на входе приемника не превышает заданного значения.
Для реализации такого подхода и была разработана методика оценки НШПЧ фазоманипулированных сигналов. Модель, являющаяся основой методики, позволяет определить вероятность сбоя символа в принятой информационной последова -тельности при заданных параметрах манипуляции сигнала (виде манипуляции, длительности и параметрах огибающей элементарной посылки), полосе частот сигнала, уровне сигнала на входе приемника и опорном уровне в решающем устройстве . Число сбоев символов определяется сравнением «передаваемой» и «принятой» информационной последовательности с учетом неправильно принятых и «потерянных» символов.
Алгоритм определения НШПЧ с помощью модели следующий: - устанавливаются параметры модели, исключающие искажение сигнала полосовыми фильтрами (эталонная линия); - определяется минимальный уровень сигнала на входе приемника, обеспечивающий передачу информации с заданным качеством для эталонной линии; - уменьшая полосу пропускания фильтров передатчика и приемника, определяется соответствующее необходимое превышение уровня сигнала на входе приемника по сравнению с эталонной линией, обеспечивающее передачу информации с заданным качеством (энергетические потери). Энергетические потери в алгоритме определяются через значение коэффициента энергетических потерь КЭП, выражаемого в децибелах и вычисляемого с использованием следующего отношения: КЭП=20lg(Uэт/Uф)+10lg(Qф/Qэт) , (3.1) где UЭТ - минимальный уровень отклика на не искаженный полосовой фильт-83 рацией полезный сигнал на входе решающего устройства приемника; QЭТ - среднеквадратичное значение амплитуды (мощность) сигнала на входе модели приемника без учета искажений полосовой фильтрацией; UФ - минимальный уровень отклика на полезный сигнал на входе решающего устройства приемника с учетом искажений полосовой фильтрацией; QФ - среднеквадратичное значение (мощность) амплитуды сигнала, искаженного полосовым фильтром передатчика. НШПЧ оценивалась как такая полоса пропускания фильтров, при которой получаемое значение КЭП не превышает заданного допустимого уровня.
Для бинарных и четырехпозиционных фазоманипулированных сигналов в качестве допустимого уровня КЭП может быть использовано значение 6 дБ, что соответствует изменению амплитуды отклика примерно в два раза. Такое значение еще позволяет компенсировать искажения полезного сигнала увеличением мощности . Дальнейшее уменьшение полосы пропускания фильтров, как можно видеть из результатов, представленных в таблице 3.1, приводит к существенному росту КЭП до значений в десятки децибел, а уменьшение еще на 5-10% к появлению сбоев (неправильно принятых символов), вызванных искажениями сигнала полосовой фильтрацией.
Для сложных сигналов рассмотрение значения НШПЧ, отличного от значения НШПЧ для простых фазоманипулированных сигналов нецелесообразно, поскольку такие сигналы изначально являются широкополосными. Избыточность полосы частот для передачи информации с заданной скоростью, обеспечивает преимущества таких сигналов: повышенную помехозащищенность, скрытность, возможность ко-84 дового разделения каналов. Для сложных фазоманипулированных сигналов значение НШПЧ принимается равной значению, соответствующему фазоманипулирован-ному сигналу, лежащему в основе сложного.
Из полученных двух отрезков для дальнейшего поиска решения выбирается тот, у которого значение функции, соответствующей левой части уравнения (3.3), на концах принимает разные знаки, что гарантирует наличие хотя бы одного решения данного уравнения на этом отрезке. Процесс деления отрезков прекращается, когда длина очередного отрезка не превышает заданной величины.
Сравнительные исследования зависимостей ослабления радиопомехи за счет ее отстройки по частоте
Защитное отношение qсп определяется следующим образом. Вычисляются коэффициент необходимого изменения уровня помехи на основе свертки полученных гистограмм Dpнс и поправка на разницу КП между среднеквадратичным значением (мощностью) помехи, полученной в блоке 7, и среднеквадратичным значением (мощностью) полезного сигнала, полученной в блоке 4. Затем эти два логарифмических коэффициента складываются: qсп = Dpнс + К П . (4.1) Сверткой полученных гистограмм определяется оценка вероятности превы -шения отклика помехи над уровнем отклика на полезный сигнал на входе решающего устройства pпр при текущем отношении сигнал/помеха по следующему соотношению: giс gпj pпр = NN с (4.2) где Ng - количество точек/столбцов сформированных в одном масштабе гистограмм откликов на полезный и мешающий сигналы; gс - значение /-й точки гистограммы откликов на полезный сигнал; gп - значение 7-й точки гистограммы откликов на мешающий сигнал.
Предполагая, что именно такое превышение ведет к сбою (неправильному приему символа) при несовпадении знаков откликов, оценивается вероятность неправильного приема символа из-за воздействия мешающего сигнала.
Необходимое изменение уровня помехи Арнсдля получения заданной вероятности сбоя рпр определяется путем смещения гистограмм относительно друг друга. Пока эта вероятность сбоя меньше заданного уровня гистограмма помехи смещается на один шаг вправо (от нуля), что соответствует увеличению среднеквадратичного уровня помехи на 0.25 дБ. Затем начинается другой цикл: пока вероятность сбоя больше заданного уровня гистограмма помехи смещается на один шаг влево (к нулю), что соответствует уменьшению среднеквадратичного уровня помехи на 0.25 дБ. В результате получаем с точностью до 0.25 дБ коэффициент Dpнс , определяющий на сколько требуется изменить отношение сигнал/помеха, полученное после моделирования прохождения сигналов, для достижения требуемой вероятности сбоя символа. Шаг 0.25 дБ накладывает соответствующее ограничение на точность результата определения ЗО, однако, это ограничение не является принципиальным, и при наличии потребности в получении результата с большей точностью шаг дискретизации гистограмм может быть уменьшен.
Поправка на разницу между среднеквадратичным значением (мощностью) помехи и среднеквадратичным значением (мощностью) полезного сигнала Кп вычисляется по формуле : Кп = 20lg(Qп /Qс ) , (4.3) где Qп - среднеквадратичное значение амплитуды помехи , опред еляемое в блоке 7 структурной схемы, представленной на рисунке 4.1; Qс - среднеквадратичное значение амплитуды полезного сигнала, определяемое в блоке 4 схемы, представленной на рисунке 4.1. При определении ЗО ВЧ значения Qп и Qс определяются на входе полосового фильтра приемника. При определении ЗО ПЧ – на входе согласованного фильтра, после фильтра основной селекции приемника. Представленная методика расчета ЗО была реализована на основе программной реализации методики определения НШПЧ систем связи, представленной в п.3.2 настоящей работы, путем дополнения программным обеспечением в виде соответствующих процедур и функций.
В представленном на рисунке 4.2 примере показаны полученные с помощью разработанной программной реализации методики результаты определения ЗО для приемника сигнала BPSK, с использованием DSS, определяемого спецификациями стандарта 802.11. Такие сигналы используются в широко распространенных системах беспроводного доступа, а также в некоторых РЭС связи военного назначения. Полученное значение минус 3 дБ существенно отличается от значений, сопостав-102 ляемых данным классам РЭС по Таблице защитных отношений [30], согласно которой для радиорелейных линий ЗО с помехой аналогичной структуры составляет 24 дБ, для РЭС прямой радиосвязи – 18 дБ. Если же учесть, что кадр физичес кого уровня стандарта 802.11 является отдельным импульсом с заданной формой переднего и заднего фронтов со скважностью близкой к 1 [22], то значение ЗО уменьшается на 10 дБ (до 14 и 8 дБ соответственно). Кроме того, следует учесть, что в [30] значения ЗО для РЭС прямой радиосвязи с фазовой манипуляцией указаны только для КВ диапазона, ввиду отсутствия прямого соответствия, для пары РЭС-ОВП – РЭС прямой радиосвязи и РЭС-ИНП – передатчик системы беспроводного доступа стандарта 802.11 значения ЗО может быть принято 8, 14, 18 или 24 дБ [75]. Такой разброс свидетельствует о необходимости пересчета значения ЗО для рассматри -ваемых РЭС, то есть об актуальности разработанной методики определения защитных отношений.
Как видно из рисунков в качестве результатов программа, реализующая методику определения ЗО, отображает графики сигналов, нормированные на максимальное значение отклика, получаемые гистограммы значений откликов на полезный сигнал и помеху и значения ЗО ВЧ и ЗО ПЧ. Причем, если в методике определения НШПЧ предусмотрен интерактивный процесс (оператор многократно использует процедуру вычисления коэффициента энергетических потерь , определяя искомые параметры фильтров методом «золотого сечения»), то для методики определения ЗО предусмотрена автоматическая процедура, сразу выводящая результат для одного (рисунок 4.2а) или множества заданных значений отстройки (рисунок 4.2б).
Таким образом, разработанная методика определения ЗО позволяет без проведения натурных испытаний определять ЗО ВЧ и ЗО ПЧ для РЭС, использующих фа-зоманипулированные сигналы , относительно различных видов импульсны х и не -прерывных радиопоме х на основе фазоманипулированных сигналов аналогичны х полезным, ЛЧМ-сигналов, частотно-манипулированных сигналов, а также сигналов, манипулированных по частоте гармоническим или пилообразным напряжением. Программная реализация методики позволяет в приемлемые сроки определять значение ЗО при различных значениях отстройки для радиопомех, имеющих изменяемые во времени случайные характеристики, путем накопления необходимого объема статистических результатов [76]. Использование методики позволило расширить перечень РЭС-ОВП, приведенных в таблице защитных отношений, и дополнить результатами, отличающимися от предыдущих на 4-12 дБ в сторону снижения требований по ЗО.