Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности проектирования и построения локальных охранных радиотехнических систем . 13
1.1 Архитектура. 13
1.2 Сетевые топологии систем. 16
1.3 Частотный план функционирования ЛОРС. 19
1.4 Протоколы множественного доступа, используемые в ЛОРС . 22
1.4.1 Классификация протоколов множественного доступа, 22
1.4.2 Использование протоколов множественного доступа в ЛОРС. 28
1.5 Виды используемых сигналов и алгоритмы их приёма. 31
1.5.1 Сигналы. 31
1.5.2 Спектры сигналов. 34
1.5.3 Приём сигналов и помехоустойчивость алгоритмов приёма. 37
1.6 Особенности многолучевого распространения сигналов в ЛОРС. 43
1.6.1 Эффект замираний. 43
1.6.2 Природа и модели замираний. 44
1.7 Помехи в каналах передачи ЛОРС, 48
1.8 Цель и задачи работы. 51
Глава 2. Сетевые топологии и методы множественного доступа к среде передачи . 53
2.1 Сетевые топологии. 53
2.1.1 Анализ характеристик сетевых топологий. 53
2.1.2 Эффективность многосвязности топологии . 57
2.1.3 Использование автоматического управления мощностью излучения. 58
2.2 Множественный доступ к среде при односторонней передаче данных. 60
2.3 Анализ методов множественного доступа к среде при двухсторонней передаче данных. 64
2.3.1 Эффективность использования различных методов доступа в ЛОРС. 64
2.3.2 Анализ характеристик гибкого МДКН. 68
2.4 Выводы. 72
Глава 3. Замирания сигналов . 74
3.1 Физическая сущность замираний в ЛОРС. 74
3.2 Статистические характеристики замираний сигналов. 76
3.3 Статистические характеристики сигналов при использовании различных методов разнесения ветвей приёма . 85
3.3.1 Временное разнесение. 85
3.3.2 Пространственное разнесение. 87
3.3.3 Поляризационное разнесение. 90
3.4 Выводы. 92
Глава 4. Алгоритмы приёма сигналов при наличии помех и замираний . 94
4.1 Алгоритмы приема при многолучевом распространении. 94
4.1.1 Одиночный поэлементный приём. 94
4.1.2 Разнесённый прием . 95
4.2 Алгоритмы приёма при наличии помех. 97
4.3 Выводы. 100
Глава 5. Помехоустойчивость приёма сигналов . 101
5.1 Помехоустойчивость поэлементного приёма при наличии замираний. 101
5.1.1 Когерентный приём. 101
5.1.2 Некогерентный приём с интегрированием после детектора. 102
5.2 Помехоустойчивость разнесённого приёма при наличии замираний. 103
5.2.1 Оптимальный разнесённый когерентный приём. 104
5.2.2 Разнесённый приём с двумя независимыми каналами обработки. 105
5.3 Помехоустойчивость приёма при наличии помех. 109
5.4 Помехоустойчивость приёма с программной перестройкой рабочей частоты. 116
5.5 Выводы. 121
Заключение. 123
Список литературы. 127
- Протоколы множественного доступа, используемые в ЛОРС
- Эффективность многосвязности топологии
- Статистические характеристики сигналов при использовании различных методов разнесения ветвей приёма
- Разнесённый прием
Введение к работе
Интерес к техническим средствам обеспечения безопасности в последнее время не только не ослабевает, но и продолжает непрерывно возрастать. Это связано, прежде всего, с необходимостью повышения эффективности борьбы с терроризмом, с организованной и неорганизованной преступностью, противодействию коммерческому и промышленному шпионажу и прочей противоправной деятельности.
Технические средства обеспечения безопасности включают в себя как составную часть средства охранной сигнализации. По функциональному назначению средства охранной сигнализации делятся на средства обнаружения (из-вещатели) и средства оповещения (приёмно-контрольные устройства). Извеща-тели являются начальными техническими средствами в структуре использования средств сигнализации, что обусловливает массовость их применения. К одному приемно-контрольному устройству может быть подключено от одного до нескольких сотен извещателей. Приёмно-контрольные устройства обеспечивают контроль подключенных к ним извещателей, принимают решения о несанкционированных действиях и вырабатывают сигналы управления исполнительными устройствами (средствами оповещения, оконечными устройствами систем передачи извещений и пр.).
Обмен данными между различными элементами средств охранной сигнализации в последнее время всё чаще осуществляется с использованием радиоканала.
Основными особенностями функционирования таких средств охранной сигнализации являются следующие:
— Наличие сложной помеховой обстановки, в которой происходит передача
данных по радиоканалу.
- Параметры среды распространения сигналов непрерывно меняются во вре
мени, что связано с изменением картины многолучевого распространения из-за
отражения сигналов от стен, препятствий, движущихся людей и пр.
Среда передачи данных является открытым каналом, поэтому информация, передаваемая между элементами системы доступна для внешних наблюдателей, которые могут воспользоваться ею для несанкционированного управления либо саботирования функционирования средств охранной сигнализации.
Электропитание многих элементов радиоканальных систем (охранных из-вещателей, переносных устройств управления, удалённых исполнительных устройств и проч.) осуществляется от химических источников тока, при этом гарантированный срок службы от одного комплекта батарей, как правило, составляет от 1 до 10 лет. Это обстоятельство диктует необходимость использования радиоприёмных и радиопередающих трактов, устройств обработки сигналов, протоколов радиообмена, учитывающих повышенные требования к энергетической эффективности. Кроме того, средства охранной сигнализации должны обладать малыми массогабаритными показателями, низкой стоимостью и минимальными расходами на обслуживание.
Проектирование вновь создаваемых локальных охранных радиотехнических систем требует учёта перечисленных особенностей для обеспечения устойчивой работы в условиях сложной помеховой обстановки и при наличии замираний сигналов. Многолучевое распространение колебаний в помещениях и между помещениями в пределах зданий и сооружений является относительно мало изученным, поэтому исследование его статистических характеристик также представляет значительный интерес.
Цель работы
Целью работы является повышение помехоустойчивости приема пакетов сообщений в локальных охранных радиотехнических системах в условиях замираний сигналов, внутрисистемных, межсистемных и внешних помех, путём использования близких к оптимальным алгоритмов обработки сигналов и протоколов радиообмена, учитывающих условия функционирования системы.
Задачи работы
Провести анализ основных сетевых топологий локальных охранных радиотехнических систем для выявления возможности использования таких топологий в условиях функционирования системы при наличии технических ограничений, замираний, помех.
На основании анализа методов случайного доступа с учетом особенностей построения ЛОРС, разработать метод доступа и протокол обмена данными, учитывающие наличие совокупности помех и замираний в канале передачи.
Определить статистические характеристики замираний в условиях реальных объектов и определить математическую модель, наилучшим образом описывающую замирания сигналов в ЛОРС.
Разработать алгоритмы оптимального и подоптимального приема, учитывающих наличие замираний и помех в канале передачи.
Определить помехоустойчивость приема сигналов, использующихся в ЛОРС, при наличии замираний и воздействии различного рода помех.
Оценить эффективность и определить повышение помехоустойчивости приема сообщений при использовании предлагаемых методов и алгоритмов приема.
Методы исследования
В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, результаты моделирования, полученные с использованием методов теории передачи информации, теории оптимального приема сигналов, теории случайных процессов и математической статистики, теории случайных потоков, прикладной теории сетей, различных методов программирования.
Научная новизна
1. Предложен метод множественного доступа к среде передачи в локальных охранных радиотехнических системах, учитывающий условия и особен-
ности функционирования этих систем (сложную помеховуго обстановку, наличие замираний и повышенные требования к эффективности использования источников питания).
Определены статистические характеристики замираний сигналов в ЛОРС и показано, что в помещениях площадью от нескольких квадратных метров до сотен метров, время когерентности замираний имеет величину от десятых долей до десятков секунд, поэтому замирания в ЛОРС являются медленными. Максимальная длительность временного профиля замираний составляет единицы микросекунд, что позволяет сделать вывод о том, что замирания не являются частотно-селективными.
Обоснованно найдена и экспериментально подтверждена физическая модель замираний сигналов в ЛОРС, характеризуемая плотностью вероятностей Накатами т.
Определена вероятность ошибочного приёма ЧМ сигналов с ММС и ГММС для когерентного приёма, приёма с интегрированием после детектора мгновенной частоты при наличии замираний Накагами, оптимального разнесённого приёма сигналов и подоптимального разнесённого приёма с двумя независимыми каналами обработки при некоррелированных замираниях Накагами,
Разработана методика вычисления вероятности ошибочного приёма ЧМ сигналов с ММС при условии, что в канале передачи помимо аддитивного нормального шума присутствует гармоническая помеха со случайной начальной фазой, вызванной работой соседних ЛОРС.
Разработана и реализована локальная охранная радиотехническая система с многоуровневой сетевой топологией и элементами многосвязности, в которой для борьбы с замираниями применяется алгоритм приёма с двумя независимыми каналами обработки и для борьбы с внешними помехами используется алгоритм с программной перестройкой рабочей частоты.
Положения, выносимые на защиту
1. Использование предложенной сетевой топологии "дерево" для локальных
охранных радиотехнических систем позволяет:
повысить помехоустойчивость приёма данных за счёт увеличения пропускной способности сети;
путём добавления элементов многосвязности на несколько порядков снизить вероятность пропуска пакетов сообщений в условиях наличия замираний сигналов;
путём введения механизмов регулирования уровня излучаемой мощности уменьшить величину межсистемных и внутрисистемных помех в ЛОРС на несколько десятков децибел.
Определена физическая модель замираний сигналов в локальных охранных радиотехнических системах, работающих в диапазоне частот от 0.5 до 2 ГГц, характеризуемая плотностью вероятностей Накагами т, при т = 2+4 описывающая замирания сигналов в протяженных помещениях, и в помещениях с большим числом препятствий при т = 1 + 2.
Допустимое минимальное расстояние между двумя охранными радиотехническими системами, работающими на одном и том же частотном канале, каждая из которых создаёт внешние помехи для другой, должно быть на порядок выше, чем радиус работы системы для того, чтобы энергетические потери приёма составили не более 0.5 дБ.
Предложенный алгоритм разнесённого когерентного приёма ЧМ сигналов с ММС (ГММС) с двумя независимыми каналами обработки позволяет получить энергетический выигрыш в области вероятности ошибок р = Ю~3 от 2 до 6 дБ по сравнению с приёмом без разнесения для каналов
с замираниями Накагами при т от 4 до 1.
5. Использование алгоритма приёма с программной перестройкой рабочей
частоты обеспечивает минимальные энергетические потери в помехо
устойчивости приёма в 3 дБ при отношении мощности внешней помехи к
мощности полезного сигнала не более 53 дБ при числе каналов, равном 7 и разносе частот 2/Т.
Практическая ценность
На основе результатов, полученных в работе, создана, сертифицирована и промышленно выпускается в ЗАО "Аргус-Спектр" (г, С.-Петербург) с 2005 г. радиоканальная система охранно-пожарной сигнализации "Стрелец", функционирующая в частотных диапазонах 433.05-434.79 МГц и 868.0-868.6 МГц.
В радиосистеме "Стрелец" используются сетевые топологии "дерево" и "звезда" с элементами многосвязности и регулированием мощности излучения между каждой парой устройств. В качестве протокола множественного доступа используется протокол гибкий МДКН/Aloha. Продолжительность работы изве-щателей от батарей - 5 лет. Максимальная ёмкость системы - 768 устройств. В целях борьбы с замираниями используются методы частотного, временного и поляризационного разнесения. Для повышения помехоустойчивости при наличии помех используется алгоритм программной перестройки рабочей частоты.
Система эксплуатируется в ряде промышленных, торговых и культурных учреждений, а также множестве жилых помещений Российской федерации, стран СНГ и Европы.
В их числе:
гипермаркеты сети "Эльдорадо", г. Санкт-Петербург;
Меньшиковский дворец, г. Санкт-Петербург;
Музей деревянного зодчества, г. Владимир;
Склад вооружения при базе ВМФ, Великобритания;
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на конференциях:
1. III Межрегиональная конференция "Информационная безопасность регионов России", СПБГПУ, 2003 г.
XII Общероссийская научно-техническая конференция "Методы и технические средства обеспечения безопасности информации", Санкт-Петербург, 2004 г.
VI Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, ЛЭТИ, 2005 г.
Публикации
Общее число печатных работ по теме диссертации - 7, из них: Статей - 2; Тезисов докладов на научно-технических конференциях - 5.
Структура диссертации
Работа имеет объем 134 стр. и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Текст содержит 13 таблиц и иллюстрируется 65 рисунками.
Протоколы множественного доступа, используемые в ЛОРС
Понятие множественного доступа в общем случае связано с разделением некоторого ресурса между совокупностью независимо функционирующих потребителей этого ресурса [7]. Для ЛОРС таким ресурсом является коллективно используемый охранными извещателями, приё мно-контрольными устройствами, исполнительными устройствами и устройствами управления (далее абонентами) радиоканал.
Для передачи по радиоканалу адресованных пакетов существуют различные правила в виде совокупности однозначно определённых и обязательньк для выполнения всеми абонентами процедур, именуемых протоколами множественного доступа (в дальнейшем в это разделе - протоколы). Протоколы фак тически являются инструментами принятия решения о том, в какое время и каким образом абонент может воспользоваться радиоканалом.
Насколько полно протоколы учитывают коллективные интересы абонентов, их разделяют на два типа. Первый тип протоколов упорядочивает работу абонентов таким образом, что полностью исключаются ситуации, именуемые конфликтами, когда два или более абонента одновременно принимают решение о передаче, вследствие чего происходит взаимное разрушение пакетов. Такие протоколы называют протоколами с детерминированным разделением канала (рис. 1.9).
Бесконфликтная передача в таких протоколах осуществляется за счет закрепления ресурса канала за абонентами. Если ресурс канала закрепляется без учёта динамики активности абонентов, то соответствующий протокол относят к протоколам со статическим резервированием, в противном случае - к прото колам с динамическим резервированием. Статическое резервирование основано на ортогональном и квазиортогональном разделении ресурса. Ресурсами канала является время, в течение которого абоненту предоставляется право передачи или частота, на которой ведётся передача. В соответствии с этим к протоколам с ортогональным разделением ресурса относятся протоколы с частотным и временным разделением канала. Протоколы с частотным разделением предусматривают разделение полосы рабочих частот на каналы по числу абонентов таким образом, чтобы их спектры взаимно не перекрывались. Каждый абонент однозначно закрепляется за одним каналом. Такой протокол имеет следующие недостатки. Во-первых, частотное разделение затрудняет реализацию важного преимущества радиоканала - его полиосвязиости, так как при п абонентах каждый из них должен иметь в своём составе сложное многочастотное радиоприёмное устройство, что при больших п нецелесообразно по экономическим соображениям. Во-вторых, нерационально используется рабочая полоса частот по двум причинам: из-за необходимости затраты ресурса на выделение защитных полос между каналами и из-за малого коэффициента использования каналов при пульсирующем трафике.
В отличие от протоколов с частотным разделением, которые допускают перекрытие по времени передач разными абонентами, но исключают их перекрытие по частоте, протоколы с временным разделением предоставляют абонентам на время передачи всю ширину рабочей полосы частот. Бесконфликтность передачи достигается закреплением за каждым абонентом фиксированного отрезка времени, в течение которого он может вести передачу. Для этого используют различные формы локального и глобального управления, которые исключают перекрытие во времени передаваемых пакетов. Несмотря на важное преимущество таких протоколов - обеспечение полиосвязиости сети, в них неполностью используется пропускная способность радиоканала при неравномерном трафике. Кроме того, протоколы с временным разделением обладают значительной чувствительностью к увеличению числа абонентов, что в конечном счёте ведёт к росту задержки передачи. Применяют такие протоколы, глав ным образом, в системах реального времени, где определяющее значение имеет гарантированное время доставки пакета адресату.
В последнее время в сетях применяют протоколы, основанные на одновременной передаче пакетов в общей полосе частот, т.е. протоколы с квазиортогональным разделением, использующие различные сигнальные коды (протоколы с кодовым разделением - например, с дискретным изменением частоты), шумоподобные сигналы и согласованную фильтрацию (протоколы с шу-моподобными сигналами) [5,11,89].
Вследствие того, что протоколы со статическим резервированием не обеспечивают достаточно хорошее качество функционирования сети, появились протоколы с динамическим резервированием, основанные на принципе предоставления абонентам права передачи с учётом их активности. Протоколы этого типа для своего функционирования предлагают наличие информации об имеющихся в каждый момент времени потребностях в ресурсе. Следствием этого является неизбежное возникновение накладных расходов, связанных с передачей этой информации и управляющих воздействий. Иными словами, поскольку канал предоставляется абонентам только в те моменты, когда они готовы к передаче, возможна адаптация под интенсивность трафика, но цена такой адаптации определяется той частью пропускной способности канала, которая тратится на организацию управления.
Выделяют протоколы с централизованным и децентрализованным управлением. Для протоколов первого типа в сети должно быть устройство (диспетчер), которое выполняет функции управления множественным доступом. К нему должна поступать информация от абонентов о необходимости передачи
Эффективность многосвязности топологии
Рассмотрим систему ЛОРС, в которой присутствует одно ПКУ (абонент О, рис. 2.3) и два охранных извещателя (абоненты 1 и 2). Вероятность пропуска сообщения при передаче пакета от абонента 1 только по основному пути М10равна рю.При передаче пакета последовательно по пути М10, а затем по пути Мj 2М2(0 вероятность пропуска равна
Использование многосвязности особенно эффективно в условиях наличия замираний сигнала. Вследствие того, что абоненты разнесены друг относительно друга на многие десятки длин волн, замирания в приёмных трактах абонентов практически некоррелированы и многосвязные сети эквивалентны разнесённому приёму с большим количеством ветвей разнесения. Эффект от применения многосвязной сетевой топологии в условиях наличия замираний будет подробнее рассмотрен ниже.2.1.3 Использование автоматического управления мощностью излучения.
Рассмотрим две ЛОРС, в одной из которых мощность излучения радиопередающих трактов устройств остаётся на постоянном (максимальном уровне), а в другой мощность излучения регулируется таким образом, чтобы добиться заданной величины ошибочного приёма элемента пакета сообщений (рис. 2.3). Пунктирными линиями показаны геометрические места точек, в которых плотность потока мощности от радиопередающих устройств постоянна и соответствует уровню, необходимому для приёма сигнала с заданной вероятностью ошибок. Из анализа зон ЛОРС, представленных на рис. 2.4, видно, что при работе без регулирования уровня излучаемой мощности устройства, находящиеся вблизи приёмно-контрольного устройства, излучают радиосигналы, мощность которых с большим избытком превышает необходимый уровень. Излучаемые сигналы создают помехи работе других ячеек данной ЛОРС и работе других ЛОРС, находящихся поблизости.
Уровень создаваемых помех можно снизить, если применить один из способов удержания мощности излучения радиопередающих трактов на уровне, достаточном для приёма радиосигналов радиоприёмными трактами с заданной вероятностью ошибок.
Эффект от снижения уровня помех при этом в зависимости от взаимного расположения устройств составляет:где ггаах - максимальный радиус охвата ПКУ, rmin - минимальное расстояние, накотором могут располагаться друг относительно друга пары радиоустройств.
Например, при радиусе охвата ПКУ около 600 м и расположении извеща-телей в пределах одной комнаты на расстоянии не более 5 м снижение уровня помех соседним системам ЛОРС будет составлять до 40 дБ.
При ограниченном динамическом диапазоне регулирования выходной мощности радиопередающих трактов К эффективность снижения уровня помех будет равна
Однако, следует заметить, что регулирование излучаемой мощности снижает величину энергетического запаса, который необходим для повышения помехоустойчивости передачи данных при наличии замираний в канале. Поэтому алгоритм регулирования мощности должен предусматривать непрерывную адаптацию к изменению коэффициента передачи сигналов.
При односторонней передаче данных в ЛОРС используется протокол случайного доступа к среде передачи и сетевая топология типа "звезда" с N извещателями и одним ПКУ - координатором системы [45]. При этом в произвольные моменты времени от извещателеи к ПКУ поступают пакеты сообщений об изменении состояния извещателеи, а также пакеты, предназначенные для контроля состояния каналов передачи (контрольные пакеты). Для снижения вероятности пропуска пакетов из-за конфликтных ситуаций они повторяются многократно (п раз). Ввиду относительной редкости наступления моментов изменения состояний извещателеи, основной трафик в таких системах образуют контрольные пакеты. Решение о наличии неисправностей к канале передачи от любого извещателя до ПКУ принимается при пропуске к следующих подряд контрольных пакетов от этого извещателя.
Параметры протокола множественного доступа выбираются таким образом, чтобы обеспечить следующие характеристики ЛОРС с односторонней передачей данных:? Вероятность пропуска тревожного сигнала в результате пропуска п переданных пакетов должна составлять величину не более Р .? Время, прошедшее с момента прекращения функционирования любого из каналов связи, до момента принятия решения о наличии неисправностей. в канале связи (период контроля канала) должно составлять не более ТКК.? Среднее время между наступлением событий принятия ложного решения о наличии неисправностей в канале связи в результате пропуска k следующих подряд информационных пакетов должно составлять не MQ Анализ характеристик протокола основан на предположении, что моменты времени начала передачи сообщений для большого количества независимо
Статистические характеристики сигналов при использовании различных методов разнесения ветвей приёма
При временном разнесении улучшение характеристик приёма достигается только при наличии относительно быстрых замираний. Интервал когерентности замираний при перемещении людей в помещениях составляет величину от единиц до десятков секунд. Поэтому использование перемежения символов в пакете, или различных методов помехоустойчивого кодирования как средств борьбы с замираниями не является эффективным.
В противоположность этому, повторение передачи пакетов сообщений с интервалами в несколько единиц секунд способно снизить вероятность пропуска пакетов сообщений в условиях наличия замираний, вызванных перемещением людей. Следует заметить при этом, что методы случайного множественного доступа Aloha и МДКН (см. гл. 2) предполагают многократное повторение попыток передачи при отсутствии подтверждений о приёме. При использовании вкачестве 7](та (п. 2.3.2) достаточно быстро возрастающей функции коэффициент корреляции между замираниями в моменты осуществления попыток передачи монотонно снижается, что улучшает характеристики временного разнесённого приёма. Например, на рис. 3.12 представлены взаимное положение процессов замираний и повторения попыток передачи пакетов сообщений, когда 7 шазс является показательной функцией.
При наличии долговременных замираний, связанных с перемещением элементов обстановки, использование временного разнесения не является эффективным, поэтому для борьбы с такого рода замираниями следует использовать пространственное, поляризационное или частотное разнесение.При пространственном разнесении приём осуществляется на две или более антенны, расположенные параллельно друг другу. Выбор расстояния между антеннами осуществляется исходя из условия некоррелированности замираний.
Рассмотрим модель разнесённого приёма, когда приходящие лучи поступают на две приёмные антенны с различных углов в (рис. 3.13). Расстояние между антеннами /. Плотность распределения вероятности поступления отражённого луча с угла в представлена функцией Wff (0). Для экспериментального определения коэффициентов взаимной корреляции при различных расстояниях между приёмными антеннами использовалась схема, показанная на рис. 3.14. РПД и РПУ при этом устанавливались в соседних комнатах, разделённых кирпичными перегородками, на расстоянии около 10 м. Человек совершал возвратно-поступательные перемещения со скоростью около 1 м/с перпендикулярно линии, соединяющей РПД и РПУ.Рис. 3.14 Схема исследования пространственного разнесения.
На рис 3.15 и 3.16 представлены полученные в результате экспериментальных исследований кривые относительного изменения амплитуды сигнала в двух ветвях пространственного разнесения приёмных антенн и нормированный коэффициент взаимной корреляции сигналов в приёмных антеннахМ )= при разнесении их на XI8 (рис. 3.15) и Я (рис. 3.16). При разнесении антенн на Л/8 максимальное абсолютное значение коэффициента взаимной корреляции равно 0.7, тогда как при расстоянии между антеннами, равное одной длине волны коэффициент корреляции снижается до 0.25.
На рис. 3.17 представлены зависимость максимального абсолютного значения коэффициента взаимной корреляции замираний в ветвях пространственного разнесения, полученная в результате экспериментальных исследований и кривая коэффициента взаимной корреляции, полученная с помощью модели (3.9). По оси абсцисс отложено расстояние между приёмными антеннами в единицах длины волны, по оси ординат - коэффициент взаимной корреляции (ЗЛО) Из рисунков видно, что коэффициент взаимной корреляции замираний в ветвях разнесения имеет довольно высокое значение вплоть до разнесения антенн на расстояние в несколько длин волн.і, sec Рис. 3.15 Взаимная корреляция замираний в ветвях пространственного разнесения. Антенны разнесены на Я/8.Рис. 3.16 Взаимная корреляция замираний в ветвях пространственного разнесения. Антенны разнесены на Л.
Разнесённый прием
При разнесённом приёме сигналов используется L ветвей разнесения. Сигнал на выходе / -той ветви разнесения представлен выражением:здесь n/(/) = Re[//((?)e;2;r/o) - реализация АБГШ в /-той ветви разнесения,N[ /2 - спектральная плотность мощности шума в в / -той ветви, ц{ и в, - соответственно, коэффициент ослабления и сдвиг фазы сигнала в / -той ветви.
В соответствии с алгоритмом максимума правдоподобия решение о передаваемом символе выносится на основании сравнения между собой функций
Учитывая монотонность экспоненциальной функции и равенство мощностей сигналов, правило принятия решения для когерентного разнесённого приёма можно представить следующим образом:регистрируется символ (, если выполнено неравенство
Таким образом, оптимальный разнесённый приём сигналов сводится к когерентному и взвешенному сложению сигналов в ветвях разнесения. Реализация такого приёмника затрудняется необходимостью создания высокочастотных блоков фазирования. Более простыми являются подоптимальные алгоритмы разнесённого приёма, например с автовыбором ветвей разнесения, с линейным и квадратичным сложениями, с последетекторным некогерентным суммированием. Рассмотрим подоптимальный алгоритм с независимыми каналами приёма. Приём сигналов от различных ветвей разнесения ведётся в нём независимо в каждой из ветвей (рис 4.2) по алгоритму одиночного приёма.
После демодуляции и декодирования принятого пакета сообщения в каждой из ветви независимо принимается решение о наличии, либо отсутствии ошибок в принятом пакете с помощью кода, способного обнаруживать ошибки, В случае отсутствия ошибок в любой из ветвей принятый пакет считается неповреждённым.
Приёмное устройство, построенное по схеме с двумя независимыми каналами, отличается простотой реализации. В таком приёмном устройстве имеется возможность легко изменять частоту приёма каждого канала, что позволяет вести построение приёмных трактов с программной перестройкой рабочей частоты для борьбы с внешними помехами.
Сигнал на входе демодулятора при наличии помехи представим в виде:здесь //и f/n - коэффициенты передачи канала для полезного сигнала и помехи, соответственно.По правилу максимума правдоподобия оптимальный приёмник должен выносить решение о передаваемом символе на основании сравнения между собой функций правдоподобия р ix(f)U- ( ) Г( )) При условии известных харак теристик помехи и коэффициента ее передачи функция правдоподобия выглядит следующим образом:При полностью известной помехе алгоритм приёма совпадает с алгоритмом оптимального когерентного приёма при условии компенсации помехи.
При отсутствии точных сведений об имеющихся помехах для повышения помехоустойчивости приёма предполагают, что известными являются статистические характеристики помех [64]. В этом случае проводится усреднение функции правдоподобия, либо оценка характеристик помех перед проведением сеанса обмена данными с последующей их компенсацией [98]. Кроме того, для борьбы с узкополосными помехами широко используют различные способы увеличения базы сигналов [5].
Рассмотрим подоптимальный алгоритм приёма в условиях наличия помех, характеристики которых неизвестны. Пусть в рамках выделенного частотного диапазона организованы L отдельных частотных каналов. Расстояние между каналами Д/. Пакет сообщений передаётся на каждом из частотных каналов одновременно (рис. 4.3), либо последовательно (рис. 4.4). Целостность пакетов сообщений, принятого в каждом канале, контролируется с помощью помехоустойчивого кода с обнаружением ошибок. В случае отсутствия ошибок в любой из ветвей, пакет считается принятым успешно.Рис, 4.4 Структурная схема передающего и приёмного устройств с программной перестройкой рабочей частоты.
Очевидно, что такой метод приёма имеет большую избыточность за счёт неэкономного расходования полосы канала передачи. Для снижения частотной избыточности при последовательной передаче пакета возможно видоизменить алгоритм таким образом, чтобы после успешного приёма пакета на каком либо частотном канале, передача пакета прекращалась.Такой алгоритм является одной из разновидностью алгоритмов с медленной программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). К его достоинствам относятся:- отсутствие необходимости проведения анализа помеховой обстановки и, вследствие этого, сниженные требования к сложности аппаратурной реализации;- универсальность с точки зрения видов помех;
Похожие диссертации на Повышение помехоустойчивости приема сообщений в охранных радиотехнических системах при наличии замираний и внешних помех
