Повышение быстродействия и помехоустойчивости цифровых устройств обнаружения и демодуляции высокочастотных узкополосных радиосигналов Глушков Алексей Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) в реальном времени широко используется в аппаратуре обнаружения и демодуляции радиосигналов. Методы ЦОС обеспечивают эффективную обработку сигналов, но требуют применения высокопроизводительной цифровой вычислительной аппаратуры. Для цифровой обработки высокочастотных сигналов весьма актуальной является задача разработки быстрых цифровых алгоритмов и устройств, требующих выполнения минимального числа простых арифметических операций, то есть обладающих высокой вычислительной эффективностью. В этой области выделяются направления разработки:

цифровых устройств обнаружения сигналов с оценкой уровня помех;

демодуляторов сигналов различной структуры;

устройств синхронизации демодуляторов;

измерителей характеристик сигналов и помех.

При реализации аппаратуры с ЦОС выделяются два основных направления:

метод квадратурной обработки сигнала с использованием понижающего преобразования, низкочастотной фильтрации, последующего квантования и выделения информационного сигнала;

метод квадратурной обработки с использованием высокочастотного квантования с последующим выделением информационного сигнала.

Первый метод, как отмечает Р. Лайонс, «хорошо работает на бумаге», но на практике возникают проблемы с формированием сдвинутых по фазе на 90⁰ квадратурных опорных сигналов, с реализацией идентичных смесителей, низкочастотных фильтров и аналого-цифровых преобразователей, «но таких компонентов у нас нет». Кроме того, нелинейные аналоговые преобразования сигнала при наличии помех ухудшают помехоустойчивость аппаратуры. Основное достоинство этого метода – сравнительно низкая частота дискретизации, определяемая шириной спектра информационного сигнала.

Метод квадратурной обработки с использованием высокочастотного квантования лишен указанных недостатков, однако для его реализации необходима высокая частота дискретизации сигнала, в два или четыре раза выше его центральной частоты.

Для высокочастотных сигналов при квантовании на центральной частоте (промежуточной частоте приемника) весьма актуальной является задача проектирования быстрых цифровых алгоритмов их обработки, требующих выполнения минимального числа возможно более простых арифметических операций на период, то есть обладающих высокой вычислительной эффективностью.

Возникает необходимость создания универсальных базовых быстрых алгоритмов обработки высокочастотных радиосигналов, на основе которых на единой алгоритмической основе реализуется разнообразная аппаратура. При этом можно создавать универсальные интегральные схемы для реализации аппаратуры обнаружения и демодуляции радиосигналов, что позволит снизить затраты на ее разработ-3

ку и изготовление, снизить стоимость и потребляемую мощность.

Таким образом, в настоящее время актуальной является проблема разработки быстрых цифровых алгоритмов обработки высокочастотных радиосигналов в задачах их обнаружения, демодуляции, декодирования и синхронизации на основе простых универсальных (базовых) высокопроизводительных алгоритмов, требующих выполнения минимального числа арифметических операций, обеспечивающих близкую к потенциальной помехоустойчивость и обладающих высокой вычислительной эффективностью.

Степень разработанности темы. Теоретическими исследованиями в области оптимальной обработки сигналов занимались отечественные и зарубежные ученые Л.М. Финк, Б.Р. Левин, В.И. Тихонов, А.Г. Зюко, А.А. Колосов, Л.Е. Варакин, Г.И. Тузов, Н.Т. Петрович, А.Б. Сергиенко, Д. Прокис, Э.Д. Витерби, Р. Лайонс, Л. Рабинер, Б. Гоулд, Э. Оппенгейм, Р. Блейхуд, Э. Айфичер, Б. Джервис и др. Ими разработаны методы, алгоритмы и устройства цифровой обработки сигналов в задачах их обнаружения, демодуляции и синхронизации, оптимальные процедуры формирования решения о принимаемом сигнале, новые виды радиосигналов и методы их обработки. Известные оптимальные алгоритмы обработки высокочастотных сигналов в цифровой реализации требуют значительных вычислительных затрат, что приводит к необходимости поиска нетрадиционных технических решений.

Необходимость обнаружения радиосигнала возникает в задачах поиска свободного канала, управления радиостанцией и системой радиосвязи. Для обеспечения высокой достоверности обнаружения необходимо оценивать уровень помех в радиоканале и использовать адаптивные процедуры обнаружения. Эти проблемы разрабатывались в работах Б.Р. Левина, А.А. Колосова, Ю.Г. Сосулина, Ю.С. Шинако-ва, А.П. Трифонова, В.В. Витязева, В.И. Борисова, Н.М. Тихомирова и др. Целесообразно провести дальнейшие исследования по совершенствованию цифровых вычислительных алгоритмов в задачах обнаружения высокочастотных радиосигналов.

В современных системах радиосвязи широко используются двоичные и многопозиционные сигналы с различными видами модуляции (амплитудной, частотной, фазовой и различными комбинированными вариантами). Для их когерентной и некогерентной обработки в трудах Л.М. Финка, Б.Р. Левина, В.И. Тихонова, Н.Т. Петровича, Ю.Б. Окунева предлагаются различные оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы и устройства с задачей повышения помехоустойчивости, скорости передачи данных и других характеристик системы связи. Их основной недостаток — сложность технической реализации, особенно в прямом цифровом исполнении, и в этом направлении необходимо проводить дальнейшие исследования.

Мощным, но трудно реализуемым способом повышения достоверности демодуляции кодированных сигналов является «прием в целом», исследованный, например, в работах Л.М. Финка. Он обеспечивает значительное увеличение помехоустой-

чивости по сравнению с методами декодирования с исправлением ошибок. Аналогичные методы ЦОС используются при согласованной фильтрации шумоподобных сигналов (ШПС), которой посвящены исследования Л.Е. Варакина, Н.Т. Петровича, Г.И. Тузова и др. Необходимо провести разработку быстрых цифровых алгоритмов «приема в целом» кодированных высокочастотных фазоманипулированных сигналов с возможностью их реализации на современной элементной базе.

Важнейшей составляющей приемного устройства дискретных сообщений являются системы фазовой, тактовой и цикловой синхронизации. Они исследованы в трудах С.С. Свириденко, В.В. Шахгильдяна, Л.Н. Белюстиной, Г.А. Леонова, М.И. Жодзишского, А.И. Фомина и др. В названиях устройств фазовой синхронизации фигурируют фамилии их авторов: схемы Пистолькорса, Сифорова, Костаса, Агеева. Их непосредственная цифровая реализация требует высокой производительности вычислителя, и целесообразно исследовать возможности базовых быстрых цифровых алгоритмов ЦОС для реализации систем синхронизации.

В связи с вышеизложенным проработанность темы диссертации представляется недостаточной и необходимо продолжить исследования в области методологии и проектирования высокопроизводительных алгоритмов и устройств цифровой обработки высокочастотных радиосигналов, оценки их помехоустойчивости и возможностей аппаратной реализации.

Диссертация выполнена на кафедре инфокоммуникационных систем и технологий ФГКОУ ВО «Воронежский институт МВД России» в рамках одного из научных направлений института — «Деятельность подразделений информационных технологий, связи и защиты информации, информационных центров, центров специальной связи».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являются разработка и исследование универсальных быстрых цифровых алгоритмов и устройств обработки высокочастотных узкополосных радиосигналов, позволяющих проектировать помехоустойчивые цифровые обнаружители и демодуляторы сигналов с различными видами модуляции при минимальных требованиях к вычислительной мощности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Формирование методологии построения быстрых цифровых алгоритмов и устройств обработки высокочастотных узкополосных радиосигналов.

2. Разработка базовых быстрых алгоритмов цифровой когерентной и некогерентной обработки радиосигналов и их программная или аппаратная реализация.

3. Проектирование алгоритмов и соответствующих им устройств обнаружения узкополосных радиосигналов с возможностью их адаптации к помехо-вой обстановке, оценки помехоустойчивости, исследования их свойств.

4. Разработка алгоритмов и устройств демодуляции бинарных и многопози-

ционных сигналов с различными видами модуляции.

5. Формирование алгоритмов и устройств демодуляции «в целом» кодированных радиосигналов.

6. Разработка быстрых цифровых алгоритмов и устройств фазовой синхронизации когерентных демодуляторов.

7. Проектирование быстрых цифровых алгоритмов и устройств тактовой и цикловой синхронизации демодуляторов.

8. Исследование помехоустойчивости предлагаемых быстрых цифровых алгоритмов и устройств, сравнение её с потенциальными возможностями оптимальных алгоритмов.

9. Разработка быстрых цифровых алгоритмов и устройств измерения параметров сигналов.

Научная новизна работы заключается в развитии и научном обосновании методов, алгоритмов и устройств обработки высокочастотных сигналов в задачах их обнаружения и демодуляции.

Основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. методы когерентной обработки высокочастотных радиосигналов при формировании двух отсчетов на период с вычислением их разности и их некогерентной обработки за счет образования квадратурных каналов путем формирования четырех отсчетов сигнала на каждый период несущей с последующим накоплением разностей четных и нечетных отсчетов, позволяющие минимизировать необходимое число вычислительных операций на период несущей и за счет этого упростить программную и/или аппаратную реализацию;

2. впервые обосновано понятие базовых быстрых цифровых алгоритмов, на основе которых предложена концепция реализации алгоритмов и устройств цифровой обработки узкополосных радиосигналов, позволяющая реализовать единый подход к программному и аппаратному проектированию цифровых устройств обработки сигналов;

3. новые эффективные базовые быстрые цифровые алгоритмы когерентной и некогерентной обработки радиосигналов, являющиеся программной или аппаратной основой для реализации цифровых обнаружителей и демодуляторов радиосигналов, обеспечивающие высокую помехоустойчивость и отличающиеся минимально возможными вычислительными затратами;

4. новые быстрые цифровые алгоритмы и соответствующие им устройства обнаружения высокочастотных узкополосных сигналов, в том числе и с оценкой уровня шума, разработанные на основе предложенных базовых алгоритмов когерентной и некогерентной обработки радиосигналов, позволяющие реализовать цифровые обнаружители с возможностью адаптации к изменению помеховой обстановки;

5. новые быстрые цифровые алгоритмы и реализующие их устройства демо-

дуляции бинарных и многопозиционных высокочастотных сигналов с различными видами модуляции и демодуляторы кодированных сигналов «в целом», реализуемые на единой методологической основе, обеспечивающие потенциальную помехоустойчивость в шумовых помехах и требующие выполнения минимального числа простых арифметических операций на период несущей;

6. новые быстрые цифровые алгоритмы и реализующие их устройства фазовой, тактовой и цикловой синхронизации демодуляторов на основе предложенного базового алгоритма, реализующие в цифровом эквиваленте обработку сигнала по схеме Костаса и требующие выполнения минимально возможного числа арифметических операций на период несущей;

7. новые быстрые цифровые алгоритмы и реализующие их устройства измерения параметров сигналов, отличающиеся простотой реализации и обеспечивающие требуемую погрешность.

Теоретическая значимость работы заключается в разработанной в диссертации методологии построения устройств ЦОС на основе высокопроизводительных базовых алгоритмов когерентной и некогерентной обработки высокочастотных радиосигналов, которая позволила решить научную проблему создания на общей методологической основе комплекса разнообразных быстрых цифровых алгоритмов и устройств обнаружения, демодуляции радиосигналов и синхронизации демодуляторов, обеспечивающих высокую помехоустойчивость и простую аппаратную реализацию.

Теоретическая значимость подтверждается использованием результатов диссертации при выполнении научных работ при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 13-08-00735, № 13-08-97538, № 16-01-00121) и Российского научного фонда (проекты № 15-11-10022, № 14-49-00079).

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе полученных результатов:

разработаны быстрые цифровые алгоритмы и устройства обнаружения и демодуляции бинарных и многопозиционных высокочастотных радиосигналов с различными видами модуляции и демодуляторы «в целом» кодированных фазоманипулированных сигналов, допускающие простую и эффективную реализацию на базе сигнальных процессоров и ПЛИС при обработке радиосигналов с несущими частотами до 100 МГц;

предложены новые быстрые цифровые алгоритмы и устройства фазовой, тактовой и цикловой синхронизации демодуляторов с возможностью их реализации на базе сигнальных процессоров и ПЛИС, обеспечивающие среднеквадратическое отклонение сдвига фаз 0,05—0,1 радиан;

предложены новые быстрые цифровые алгоритмы и устройства измерения параметров сигналов, обеспечивающие погрешность 0,5—1%;

разработаны методики расчета помехоустойчивости и других характеристик

рассматриваемых устройств, позволяющие формулировать требования к техническим характеристика проектируемых устройств и основанные на оптимальности предлагаемых алгоритмов обработки сигналов;

- получены 11 патентов РФ на изобретения разработанных устройств обнаружения и демодуляции узкополосных сигналов, основанные на разработанных алгоритмах ЦОС, подтверждающие новизну предлагаемых технических решений.

Методология и методы исследования. Для решения сформулированных задач использованы методы дискретной математики, теории радиосигналов, цифровой обработки сигналов, теории вероятностей и математической статистики, основы теории статистических решений, статистической радиотехники, математического и статистического имитационного моделирования.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методы когерентной обработки высокочастотного радиосигнала на основе формирования отсчетов сигнала на каждом периоде несущей с последующим накоплением их разностей и образования квадратурных каналов некогерентной обработки сигнала путем формирования четырех отсчетов сигнала на каждый период несущей с последующим накоплением разностей четных и нечетных отсчетов.

2. Базовые быстрые цифровые алгоритмы когерентной и некогерентной обработки радиосигналов, являющиеся программной или аппаратной основой для реализации цифровых обнаружителей и демодуляторов радиосигналов, обеспечивающие минимальное количество арифметических операций на период обрабатываемого сигнала. При числе обрабатываемых периодов N=1024 необходимо выполнить log₂N=10 операций сложения и 1 операцию вычитания в каждом канале обработки.

3. Быстрые цифровые алгоритмы и реализующие их устройства обнаружения узкополосных сигналов, в том числе и с оценкой уровня шума, позволяющие формировать адаптивный порог принятия решения по результатам оценки уровня помех (обнаружение сигналов с ФМ возможно при отношении сигнал/шум до 0 дБ).

4. Быстрые цифровые алгоритмы и устройства демодуляции бинарных и многопозиционных сигналов с различными видами модуляции, обеспечивающие потенциальную помехоустойчивость в шумовых помехах и требующие выполнения минимального числа простых арифметических операций на период несущей.

5. Быстрые цифровые алгоритмы и устройства демодуляции «в целом» кодированных фазоманипулированных сигналов, позволяющие достигать практически предельной помехоустойчивости по Л.М. Финку и отличающиеся простотой аппаратной реализации.

6. Быстрые цифровые алгоритмы и устройства фазовой, тактовой и цикловой синхронизации демодуляторов, требующие минимальных вычислительных затрат и допускающие использование общих с демодулятором аппаратных ресурсов.

7. Быстрые цифровые алгоритмы и устройства измерения параметров сигнала,

обеспечивающие высокую точность при минимальных вычислительных затратах и возможность измерения действующих значений переменных сигналов независимо от их формы.

8. Методики расчета потенциальной помехоустойчивости быстрых алгоритмов обнаружения и демодуляции узкополосных радиосигналов, позволяющие проводить оценку технических характеристик проектируемой аппаратуры ЦОС.

Степень достоверности результатов и основных положений, содержащихся в диссертационной работе, базируется на корректных математических моделях предложенных алгоритмов цифровой обработки сигналов, строгих и приближенных методах статистической радиотехники, аппарате дискретной математики и статистического имитационного моделирования, соответствии полученных результатов классическим положениям, опубликованным в научной литературе, а также внедрении их в производственную деятельность.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в производственной деятельности ООО «Сайком» (г. Москва), АО «ИРКОС» (г. Москва), АО «ВНИИ «Вега» (г. Воронеж), ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в образовательный процесс ФГКОУ ВО «Воронежский институт МВД России» и ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет (ВГТУ)».

Апробация результатов. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях (СИНХРОИН-ФО)» (Воронеж, 2014), Международных научно-практических конференциях «Современные проблемы борьбы с преступностью» (Воронеж, 2003, 2004), Международных научно-практических конференциях «Охрана, безопасность и связь» (Воронеж, 2004, 2011—2017), Всероссийских научно-практических конференциях «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем» (Воронеж, 2008, 2010, 2016), Международной научно-практической конференции «Общественная безопасность, законность и правопорядок в III тысячелетии» (Воронеж, 2016), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Математическое моделирование в технике и технологии» (Воронеж, 2010), Всероссийской научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (Воронеж, 2014), Всероссийской научно-технической конференции по теоретическим и прикладным проблемам развития и совершенствования автоматизированных систем управления специального назначения «НАУКА И АСУ – 2014» (Москва, 2014), XI и XII Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON (Омск, 2015; Москва, 2016), 25-й Международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо – 2015)» (Севастополь, 2015), Международной конференции «2015 International Conference on Space Science and Communication, IconSpace,

2015» (Лангкави, Малайзия, 2015), Международной конференции «2016 International Conference on Communications, Information Management and Network Security (CIMNS 2016)» (Шанхай, Китай, 2016), Международной конференции «2017 IEEE Dynamics of Systems, Mechanisms and Maсhines (Dynamics)» (Омск, 2017).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержатся в 69 научных работах, в том числе: в 49 статьях (из них 26 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 10 — в изданиях, индексируемых в международных базах Scopus и Web of Science), 21 докладе на научно-технических и научно-практических конференциях, 1 монографии и 11 патентах на изобретения РФ.

В опубликованных в соавторстве работах [1, 3, 4, 6, 7, 9, 14, 16, 17, 19—24, 27—35, 40, 42, 43, 45—49, 51, 52, 56, 59—69] лично соискателю принадлежат: постановка задач, обоснование используемых и модификация известных методов их решения, разработка алгоритмов ЦОС, обоснование возможности использования полученных результатов в аппаратуре. В работах [2, 5, 10, 11, 12, 18, 25, 26, 36, 38, 44, 53] соискателем определялись характеристики предлагаемых алгоритмов и устройств ЦОС и оценка их помехоустойчивости.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 224 наименований. Основная часть работы изложена на 426 страницах, включает 315 рисунков и 20 таблиц.