Содержание к диссертации
Введение
1 Процедура многокритериального синтеза радиосигналов на основе элементов канального алфавита в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам 17
1.1 Вводные замечания 17
1.2 Исходные представления для реализации процедуры многокритериального синтеза радиосигналов
1.2.1 Представление существующих радиосигналов систем передачи информации в виде совокупности элементов канального алфавита 19
1.2.2 Обоснование критериев качества радиосигналов при процедуре многокритериального синтеза канального алфавита в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам 24
1.3 Процедура многокритериального синтеза радиосигналов на основе определения канального алфавита 33
1.3.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза канального алфавита 33
1.3.2 Особенности процедуры многокритериального синтеза канального алфавита при различной позиционности вида модуляции 39
1.3.3 Анализ показателей качества синтезированных четырехпозиционных радиосигналов в зависимости от количества отсчетов на символ и значений весовых коэффициентов 45
1.4 Анализ показателей качества синтезированных радиосигналов в зависимости от параметров действующей узкополосной помехи 49
1.5 Практические аспекты реализации разработанной процедуры многокритериального синтеза радиосигналов
1.5.1 Сокращение вычислительных затрат за счет определения функциональной зависимости между синтезированными радиосигналами и внешними параметрами задачи оптимизации 57
1.5.2 Обоснование структурной схемы адаптивных к узкополосным помехам программно-управляемого формирователя и детектора радиосигналов на основе канального алфавита 64
1.6 ВЫВОДЫ 67
2 Процедуры многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к действующим помехам 70
2.1 Вводные замечания 70
2.2 Процедура многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам
2.2.1 Обоснование критериев качества многопозиционных радиосигналов при процедуре многокритериального синтеза ансамбля расширяющих кодовых последовательностей 73
2.2.2 Обоснование двухэтапной процедуры многокритериального синтеза ансамбля кодовых последовательностей четырехпозиционных радиосигнало в 75
2.2.3 Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных четырехпозиционных радиосигнало в 80
2.2.4 Анализ показателей качества синтезированных четырехпозиционных радиосигналов в зависимости от параметров действующей узкополосной помехи 82
2.3 Процедура многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к структурным помехам 88
2.3.1 Обоснование критериев качества многопозиционных радиосигналов при адаптации систем передачи информации к действию структурных помех 88
2.3.2 Обоснование выбора базиса вейвлет-пакетного разложения ансамбля кодовых последовательностей в интересах минимизации действия структурных помех 89
2.3.3 Анализ показателей качества синтезированных четырехпозиционных радиосигналов в зависимости от параметров действующей структурной помехи 93
2.4 Практические аспекты реализации разработанных процедур многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе ансамбля кодовых последовательностей 95
2.5 Выводы 97
3 Процедуры многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций в интересах адаптации систем передачи информации к действующим узкополосным помехам 100
3.1 Вводные замечания 100
3.2 Процедура многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования для адаптации систем передачи информации к действию узкополосных помех 102
3.2.1 Особенности использования критериев качества радиосигналов при процедуре многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам 102
3.2.2 Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования 105
3.2.3 Анализ показателей качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования в зависимости от параметров действующей узкополосной помехи 109
3.3 Процедура многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов в интересах адаптации систем передачи информации к действию узкополосных помех 111
3.3.1 Особенности использования критериев качества радиосигналов при процедуре многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам 111
3.3.2 Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов 115
3.3.3 Анализ показателей качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов при изменении параметров действующей узкополосной помехи
3.4 Практические аспекты реализации разработанных процедур многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций
3.5 Сравнительный анализ разработанных процедур
многокритериального синтеза радиосигналов в интересах адаптации систем передачи информации к действующей помеховой обстановке 122
3.6 Выводы 127
Заключение 130
Список сокращений и условных обозначений 136
Список литературы 142
Приложение a. копии актов о внедрении результатов диссертационной работы 154
- Представление существующих радиосигналов систем передачи информации в виде совокупности элементов канального алфавита
- Процедура многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам
- Процедура многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к структурным помехам
- Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов
Введение к работе
Актуальность темы. На практике работа беспроводных систем передачи информации (СПИ) осуществляется в условиях действия различного вида радиопомех. Среди них широкое распространение получили помехи с сосредоточенной по спектру энергией – узкополосные помехи (УП).
На показатели качества СПИ (в том числе и на помехоустойчивость при действии УП) существенное влияние оказывают вид используемых сигналов и характеристики устройств их обработки. Значительный вклад в развитие данной области знаний внесли отечественные и зарубежные ученые В.А. Котельников, И.С. Гоноров-ский, К. Шеннон, Я.Д. Ширман, Л.С. Гуткин, Л.Е. Варакин, Д.Е. Вакман, Р.М. Седлецкий, С.Б. Макаров, Ч. Кук, М. Бернфельд, Л. Френкс, Г. Ван Трис, и др.
Следует отметить, что спектральный состав действующих УП меняется с течением времени, что при фиксированном виде модуляции и устройстве обработки сигнала не позволяет достигнуть заявленных характеристик. При априорно неизвестной помеховой обстановке наибольшей эффективностью обладают адаптивные системы – интеллектуальные системы передачи информации (ИСПИ).
Для реализации адаптации СПИ в ряде зарубежных работ предлагается технология когнитивного радио (cognitive radio), использующая на вторичной основе участки спектра, не занятые в текущий момент службами, за которыми закреплены эти частоты. Существующие системы когнитивного радио могут перестраивать сигнал путем варьирования несущей частоты, мощности радиопередатчика, скорости передачи информации, а также способов кодирования и модуляции, т.е. эти системы применяют класс известных видов радиосигналов. Однако такой подход не позволяет реализовать многоэшелонированную помехозащищенность радиолинии, т.к. известные виды модуляции и кодирования могут быть распознаны с целью перехвата передаваемого сообщения или постановки эффективной структурной помехи. Кроме того, системы когнитивного радио могут посчитать диапазон частот непригодным для передачи информации при наличии УП, что в свою очередь в целом уменьшает эффективность использования свободных участков спектра.
Другой вариант построения СПИ, адаптивной к сосредоточенным по спектру помехам – это режекция пораженных участков спектра на приемной стороне. Однако при этом наблюдается ухудшение отношения сигнал-шум и увеличение боковых лепестков корреляционной функции на выходе согласованного фильтра при детектировании радиосигналов.
В работах проф. С.Н. Кириллова предложено синтезировать радиосигналы с нелинейной частотной модуляцией, обеспечивающие ослабление влияния УП на СПИ за счет формирования провала в спектре частот в полосе действия помех. Представляет интерес развитие данной теории для случая многопозиционных радиосигналов в адаптивных СПИ с учетом быстродействия современной элементной базы. Следовательно, в условиях ограниченного частотного ресурса или в интересах дальнейшего развития технологии когнитивного радио целесообразно производить синтез радиосигналов для адаптации ИСПИ к действию УП при использовании в том числе и неизвестных видов модуляции. При этом оптимизация по единственному показателю качества приводит к неконтролируемому ухудшению других показателей, поэтому для более эффективного использования ресурсов радиоканала целесообразно применять многокритериальный (МК) синтез сигналов, являющийся в свою очередь задачей нелинейного программирования сравнительно высокой размерности, решение которой необходимо производить при динамичном изменении внешних условий, т.е. в
режиме реального времени. Следует отметить, что, как правило, при передаче цифровой информации по радиоканалу в процессе модуляции осуществляется отображение битового потока данных в набор сигналов, согласованных с характеристиками используемого канала. Причем совокупность таких детерминированных сигналов образует канальный алфавит (КА) данного вида модуляции, который определяет качественные характеристики СПИ (помехоустойчивость, энергоэффективность и др.). Следовательно, для адаптации ИСПИ к действию УП возможно применение представления радиосигналов в виде совокупности элементов КА.
Класс радиосигналов с прямым расширением спектра обладает сравнительно высокой помехоустойчивостью. При этом при использовании таких радиосигналов появляется дополнительная возможность управления характеристиками ИСПИ, в том числе и для минимизации воздействия помех, за счет синтеза ансамбля кодовых последовательностей (КП) с определенными свойствами. В известных работах предлагалось синтезировать структуру сложных двухпозиционных сигналов с помощью прямого расширения спектра. Однако, представляет интерес развитие данной теории для синтеза структуры многопозиционных, в частности четырехпозиционных, радиосигналов, которые на сегодняшний день получили широкое распространение на практике. Кроме того, при использовании известных видов модуляции в ИСПИ необходимо производить адаптацию не только к действию УП, но и – структурных (сигналопо-добных) помех (СП). Это связано с тем, что СП оказывают особенно негативное воздействие на СПИ за счет корреляции по некоторым параметрам с полезным радиосигналом при совпадающих частотно-временных диапазонах. Следовательно, при использовании класса радиосигналов с прямым расширением спектра целесообразно производить МК синтез ансамбля КП для адаптации ИСПИ как к УП, так и к СП.
При согласованности используемых процедур кодирования и модуляции по некоторому критерию получают сигнально-кодовые конструкции (СКК), обеспечивающие дополнительное улучшение характеристик СПИ. На практике широко распространены СКК на основе решетчатого кодирования и «зависимых» сигналов длительностью TS (где TS – символьный интервал), позволяющие реализовать соответственно повышение помехоустойчивости СПИ к действию аддитивного «белого» гауссов-ского шума (АБГШ) без расширения занимаемой полосы частот и уменьшение внепо-лосного излучения. Однако применение перечисленных СКК в условиях действия УП, спектральный состав которых может изменяться с течением времени, не позволяет достигнуть заявленных характеристик. При этом адаптация ИСПИ за счет использования класса известных СКК, как отмечалось выше, не позволяет обеспечить мно-гоэшелонированную помехозащищенность радиолинии. Необходимо отметить, что разработка нестандартных процедур кодирования, удовлетворяющих требованиям вышеперечисленных СКК, представляет собой нетривиальную задачу, так как многие из известных процедур кодирования данных классов разрабатывались на основе эмпирического подхода. Следовательно, адаптацию СКК к действующим УП целесообразно осуществить за счет синтеза многопозиционных радиосигналов, удовлетворяющих требованиям к соответствующему классу СКК.
Цель и задачи работы. Основной целью работы является разработка процедур МК синтеза многопозиционных радиосигналов (на основе определения КА и ансамбля КП) и СКК для адаптации ИСПИ к действующей помеховой обстановке.
Поставленная цель включает решение следующих задач:
-
обосновать обобщенную форму представления радиосигналов в виде элементов КА для описания как известных, так и нестандартных видов модуляции для адаптации ИСПИ к УП; предложить набор критериев качества радиосигналов, учитывающих наиболее значимые характеристики ИСПИ;
-
обосновать процедуру МК синтеза радиосигналов на основе элементов КА и проанализировать ее эффективность;
-
разработать процедуры МК синтеза четырехпозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра на основе определения ансамбля КП для адаптации ИСПИ к УП и СП, а также проанализировать их эффективность;
-
обосновать процедуру МК синтеза СКК на основе решетчатого кодирования для адаптации ИСПИ к УП и произвести анализ ее эффективности;
-
разработать процедуру МК синтеза СКК на основе «зависимых» сигналов, для адаптации ИСПИ к УП и проанализировать ее эффективность;
-
оценить требуемые вычислительные затраты для реализации разработанных процедур МК синтеза радиосигналов на современной элементной базе.
Научная новизна. В рамках диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты:
-
Предложена процедура МК синтеза радиосигналов на основе КА для адаптации ИСПИ к УП, учитывающая такие показатели качества как ослабление действия УП, внеполосное излучение, помехоустойчивость при действии АБГШ и энергоэффективность формируемого радиосигнала. Показано, что при наиболее неблагоприятном (из рассмотренных) воздействии на радиоканал УП (ширина спектра - 5 % от ширины спектральной плотности мощности (СПМ) синтезированного сигнала; расположение - на частоте несущего колебания сигнала) обеспечивалась помехоустойчивость на уровне сигнала с QPSK при воздействии только АБГШ вплоть до отношения сигнал-помеха -7 дБ, что на 27 дБ лучше данного показателя для QPSK-сигнала.
-
Для адаптации ИСПИ в реальном масштабе времени предложена процедура быстрого МК синтеза четырехпозиционных радиосигналов за счет определения функциональной зависимости между отсчетами КА и значением центральной частоты действующей УП.
-
Обоснована двухэтапная процедура синтеза четырехпозиционных радиосигналов с расширением спектра (на основе определения ансамбля КП) для адаптации ИСПИ к действующим УП, использующая комбинированный критерий качества, в состав которого входят частные критерии, отвечающие за пропускную способность и минимизацию действия УП, помехоустойчивость при действии АБГШ, а также минимизацию перепутывания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации. Данная процедура синтеза при наиболее неблагоприятном (из рассмотренных) воздействии на радиоканал УП (ширина спектра - 6 % от ширины СПМ синтезированного сигнала с расширением спектра; расположение - на частоте несущего колебания полезного сигнала) обеспечивает улучшение помехоустойчивости на 2,2 дБ, а для УП с центральной нормированной частотой 0,25 JTS - на 5 дБ по
сравнению с QPSK-сигналами с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей.
4 Предложена двухэтапная процедура МК синтеза четырехпозиционных радио
сигналов с расширением спектра на основе определения ансамбля КП, обеспечиваю
щая за счет использования аппарата вейвлет-пакетного разложения (ВПР) адаптацию
ИСПИ к действующим СП. Показано, что радиосигналы с синтезированным ансам-
блем КП при воздействии АБГШ и СП обеспечивают выигрыш в помехоустойчивости до 5 дБ по сравнению с QPSK-сигналами c расширением спектра ансамблем дополненных M-последовательностей.
-
Предложена процедура синтеза СКК на основе решетчатого кодирования для адаптации ИСПИ к действию УП, использующая комбинированный критерий качества, в состав которого входят частные критерии, отвечающие за пропускную способность и ослабление действия УП, внеполосное излучение, помехоустойчивость при АБГШ для случая решетчатого кодирования, а также энергоэффективность формируемой СКК. Данная процедура синтеза СКК в случае неблагоприятного воздействия на радиоканал УП (ширина спектра - 5 % от ширины СПМ синтезированной СКК; расположение - на частоте несущего колебания полезного сигнала) обеспечивает помехоустойчивость на уровне известной СКК (trellis coded modulation (TCM) PSK-8) при воздействии только АБГШ вплоть до отношения сигнал-помеха -4 дБ, что на 21 дБ лучше данного показателя для рассмотренной известной СКК.
-
Предложена процедура синтеза СКК на основе «зависимых» сигналов для адаптации ИСПИ к действию УП, использующая комбинированный критерий качества, в состав которого входят критерии, отвечающие за пропускную способность и ослабление действия УП, внеполосное излучение, помехоустойчивость при АБГШ, а также энергоэффективность формируемой СКК. Данная процедура синтеза СКК в случае воздействия на радиоканал УП (ширина спектра - 5 % от ширины СПМ синтезированной СКК; расположение - на частоте несущего колебания полезного сигнала) обеспечивает помехоустойчивость на уровне QPSK-сигнала при воздействии только АБГШ вплоть до отношения сигнал-помеха -3 дБ, что на 23 дБ и 20 дБ лучше данного показателя для рассмотренных известных СКК (FQPSK-сигнала) и QPSK-сигнала соответственно. При этом при сравнимых значениях пик-фактора и порога помехоустойчивости синтезированные СКК на основе «зависимых» сигналов позволяют сократить ширину СПМ по уровню -30 дБ на 37 % в сравнении с синтезированными сигналами на основе КА; однако формирование провала в СПМ синтезируемых СКК для адаптации ИСПИ к УП не позволяет достигнуть характеристик, реализуемых FQPSK-сигналами.
Методы исследования. В работе использовались методы спектрального анализа, ортогональных разложений и статистической радиотехники, а также вычислительной математики. Данные теоретические методы сочетались с исследованиями на основе имитационного моделирования разработанных процедур.
Достоверность. Достоверность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, обосновывается корректностью численных экспериментов и адекватностью качественного и количественного сопоставления с известными положениями теории сигналов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Представленные в работе процедуры МК синтеза радиосигналов для адаптации ИСПИ к помеховой обстановке могут быть применены при разработке помехоустойчивых, адаптивных СПИ. Используемый в процедурах МК подход позволит более эффективно распределить предоставленные ресурсы радиоканала при динамичном изменении помеховой обстановки.
Результаты диссертационной работы нашли применение в разработках открытого акционерного общества «Российские космические системы» (ОАО «РКС») и учебном процессе ФГБОУ ВО «РГРТУ», что подтверждено соответствующими актами.
Положения, выносимые на защиту: 1 Процедура МК синтеза, позволяющая получить радиосигналы на основе КА, обеспечивающие, при воздействии на радиоканал АБГШ и УП, помехоустойчивость на уровне сигнала с QPSK при воздействии только АБГШ вплоть до отношения сигнал-помеха -7 дБ, что на 27 дБ лучше по сравнению с данным показателем для QPSK-сигнала.
-
Двухэтапная процедура МК синтеза, позволяющая получить четырехпозици-онные радиосигналы с расширением спектра (на основе определения ансамбля кодовых последовательностей), обеспечивающие, при воздействии на радиоканал АБГШ и УП, выигрыш в помехоустойчивости от 2 до 5 дБ по сравнению с QPSK-сигналами c расширением спектра ансамблем дополненных M-последовательностей.
-
Процедура МК синтеза, позволяющая получить сигнально-кодовые конструкции на основе решетчатого кодирования, обеспечивающие, при воздействии на радиоканал АБГШ и УП, помехоустойчивость на уровне известных СКК (TCM PSK-8) при воздействии только АБГШ вплоть до отношения сигнал-помеха -4 дБ, что на 21 дБ лучше по сравнению с данным показателем для рассмотренных известных СКК.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: XVII, XVIII, XIX и XX ВНТК «Новые информационные технологии в научных исследованиях». Рязань, 2012, 2013, 2014 и 2015 гг.; LX СНТК. Рязань, 2013 г.; XVI и XVIII МНТК «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Москва, 2014 и 2016 гг.; LXIX МНТК «Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий». Москва, 2014 г.; IV ВНТК «Информационно-измерительные и управляющие системы военной техники». Владимир, 2014 г.; XVIII МНТК молодых ученых и студентов «Молодежь и наука». Москва, 2015 г.; VII ВНТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Москва, 2015 г.; XVIII МНТК «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, 2015 г.; XXVIII МНТК «Математические методы в технике и технологиях». Рязань, 2015 г.; МНТК «Современные технологии в науке и образовании». Рязань, 2016 г.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа: 5 статей в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в межвузовском сборнике трудов, 14 тезисов докладов на конференциях и 1 свидетельство на программу для ЭВМ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и одного приложения. Диссертация изложена на 156 страницах, из которых 113 страниц основного текста, 19 таблиц и 33 рисунка.
Представление существующих радиосигналов систем передачи информации в виде совокупности элементов канального алфавита
Для рационального использования ресурсов радиоканала при синтезе сигналов целесообразно применять многокритериальный подход [7, 8, 32], обеспечивающий возможность учета наиболее значимых для СПИ показателей качества, а именно пропускной способности и ослабления действия УП, внеполосного излучения, помехоустойчивости при АБГШ, а также энергоэффективности формируемого радиосигнала. Дальнейшее увеличение числа рассматриваемых показателей нецелесообразно из-за существенного роста сложности и нелинейности задачи синтеза. При выборе критериев качества необходимо, чтобы, во-первых их расчет требовал как можно меньших вычислительных ресурсов, во-вторых свойства в общем виде УП, как «небелый» радиосигнала определялись непосредственно по соответствующему КА. Предлагается одновременно использовать следующие критерии качества [47…49]: 1 Критерий максимума пропускной способности радиоканала за счет ослабления действия УП. Представим гауссовский шум энергия которого сосредоточена в полосе частот А/уп «; А/с, где А/с - полоса частот концентрации спектра полезного сигнала.
В [4] показано, что для максимизации пропускной способности канала при наличии УП необходимо выполнение следующего условия: ! Л = 0, 1 0, (1.15) N(f) + P(f) где P(f) - полная мощность передатчика, распределенная по спектру; N(f) -СПМ УП. Следовательно, на частотах, на которых мощность УП мала, мощность радиосигнала должна быть велика и наоборот. Тогда по измеренной СПМ помехи N(f) необходимо получить «эталонную» СПМ сигнала: Go (/) = \ - N(f\ \ = const, \ = max [N(f)], (1.16) " fe[Fn,Fe] где [FH,FB] - полоса частот, отведенная для адаптации радиосигнала к действию УП. При этом первоочередное значение для эффективности данного критерия приобретает формирование провала в СПМ синтезированного радиосигнала. Для этого целесообразно значениям «эталонной» СПМ на частотах действия УП придать сравнительно больший вес. Кроме того, для ограничения энергии синтезируемого сигнала необходимо максимум G (f) и среднюю мощность КА нормировать к единице. Следовательно, для ослабления действия УП необходимо сформировать СПМ синтезируемого сигнала G(f,S) максимально близко к G ,(/), т.е.: min{dp(Gopt(f\G(f,S))}, (1-17) p где d(x,y)= jXj-y, \ »=i J некоторая метрика для n-мерных векторов x и y , S - синтезируемый КА.
Для определения наиболее адекватной метрики методом имитационного моделирования по критерию (1.17) синтезирован класс радиосигналов, показатели качества которых приведены в таблице 1.2; где g порог помехоустойчивости сигналов, определялся как значение равное отношению Еъ IN0 при вероятности битовой ошибки Ро =10"3, в условиях действия АБГШ и УП, в виде «небелого» гауссовского шума (ширина спектра 5 % от ширины спектра синтезированного сигнала; расположение - на нулевой нормированной частоте (fTs), т.е. на частоте несущего колебания полезного сигнала; отношение сигнал-помеха равнялось 2). Для устранения неоднозначности результатов от применяемого метода оптимизации рассматривались методы различных классов: квазиньютоновский [50] и Нелдера-Мида. Информационный поток передавался пакетами по 1000 бит; для получения устойчивых оценок для каждого значения величины Еъ IN0 накапливалась статистика, соответствующая не менее 100 битовым ошибкам. Затем статистика накапливалась по 100 реализациям УП. Время выполнения оптимизации - среднее время, затраченное на синтез КА в среде MATLAB на компьютере с процессором Intel Core ІЗ-2120. Начальные условия: КА задавался из двух противоположных элементов, количество отсчетов в каждом 32; максимальное количество итераций 5000.
Процедура многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам
Как известно [10, 36], высокую чувствительность к действию мешающих факторов (в том числе и УП) в современных СПИ проявляют контуры синхронизации, устойчивость которых определяется в том числе и радиосигналами, несущими полезную информацию и задающими тактовую частоту. Следовательно, в процедуре многокритериального синтеза ансамбля КП целесообразно также учитывать корреляционные свойствами многопозиционных сигналов.
Тогда, для рационального использования ресурсов радиоканала целесообразно применять критерии качества, отвечающие за пропускную способность и минимизацию действия УП, определяющие помехоустойчивость при АБГШ, а также косвенно обеспечивающие минимизацию перепутывания информационного символа при погрешностях тактовой синхронизации. Предлагается использовать следующие критерии приближения и качества [80]:
Критерий максимума пропускной способности за счет ослабления действия УП. Данный критерий аналогичен (1.18), однако здесь провал в СПМ на частоте действия помехи формируется за счет синтеза ансамбля КП (В), т.е.: пнпЦ( Я,а (/,В))}, (2.2) где Gnjif,В)) - СПМ ансамбля КП. 2 Критерий максимума помехоустойчивости при действии АБГШ. Данный критерий аналогичен (1.22): max rf b b,) , Ьл,Ь7єВ; k,l = l,M,k l, (2.3) где b b; - элементы ансамбля КП.
Критерий минимума перепутывания информационных символов при погрешностях тактовой синхронизации. При наличии погрешностей в тактовой синхронизации в корреляционном приемнике происходит смещение момента времени принятия решения о передаваемом символе. Данное обстоятельство может привести, при ненулевом уровне взаимнокорреляционной функции (ВКФ), к ошибке детектирования [10, 17]. При этом необходимо учитывать, что в современных системах тактовой синхронизации, во-первых - обеспечивается погрешность по времени, не превышающая 10 % [36, 81]; во-вторых - для их работы вычисляются модули соответствующих вещественных составляющих комплексных корреляционных характеристик [17, 38]. Кроме того, в случае многопозиционных сигналов корреляционные характеристики представляют собой набор значений для соответствующих элементов ансамбля КП, при этом для синтеза радиосигналов, как отмечалось выше (см. п. 1.2.2), целесообразно применять среднеарифметическое значение по данному набору. Таким образом, для увеличения различимости символов при погрешностях тактовой синхронизации целесообразно минимизировать среднеарифметическое значение модулей ВКФ элементов ансамбля КП (в 10 %-м центральном диапазоне ВКФ), т.е. задать данный косвенный критерий в виде: min{ Г(ЬЛ,Ь7) }, Ь ,Ь7 єВ; к J = 1,М, к Ф І , (2.4) где V(hk,hl)=\ Re \K(T)bi(t)dT dt; [a1,a2] – 10 % центральный диапа 75 зон ВКФ; () - операция комплексного сопряжения.
Критерий максимума точности тактовой синхронизации. Кроме того, как известно [10, 44], точность системы тактовой синхронизации зависит от формы автокорреляционной функции (АКФ) сигнала, в том числе и от уровня боковых лепестков. Следовательно, для уменьшения ошибочного срабатывания системы тактовой синхронизации целесообразно минимизировать среднеарифметическое значение модулей боковых лепестков АКФ элементов ансамбля КП, особенно вблизи главного лепестка, т.е. задать данный косвенный критерий в виде: тіп{ Я(Ь,) }, Ь,єВ; k = \,M (2.5) гдеЯ(Ь,) = j w(t) Re 1s ь (г)Ь,(ґ-г /г dt w(t) – функция, придающая наибольший вес выбросам АКФ вблизи главного лепестка. Исходя из решаемой задачи данная функция должна равняться нулю в области главного лепестка АКФ, а также быть плавно изменяющейся, четной и ограниченной во времени. Учитывая перечисленные требования в качестве такой функции возможно использовать следующее выражение на основе окна Блэкмена: где [- , ] - область главного лепестка АКФ.
Процедура многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к структурным помехам
Здесь в качестве показателя подавления УП рассматривается порог помехоустойчивости СКК (g), который определяется как значение, равное отношению Еь /N0 при вероятности битовой ошибки Ро = 10 3, в условиях действия АБГШ и УП в виде «небелого» гауссовского шума (ширина спектра - 5 % от ширины СПМ синтезированной СКК; расположение - на нулевой нормированной частоте); в интересах получения устойчивых оценок для каждого значения g накапливалась статистика, соответствующая не менее 100 битовым ошибкам; кроме того, для всех показателей качества ИСПИ статистика накапливалась по 50 реализациям УП. В процедуре синтеза начальные условия КА выбирались в виде значений параметров FQPSK-сигнала.
Для характеристики внеполосного излучения использовались значения ширины СПМ СКК по уровням -30 и -60 дБ (G30 и G60 соответственно); а в качестве показателя энергоэффективности - пик-фактор (П).
При проведении исследований параметр с2 был фиксирован (с2 =0,1), так как соответствующий критерий робастен к вариации весовых коэффициентов, и кроме того, шум входных каскадов приемников присутствует во всех ИСПИ и со 117 ответственно помехоустойчивость сигналов к воздействию АБГШ для случая «зависимых» сигналов является необходимым условием их функционирования. Следовательно, возможно варьировать только параметрами с1 и с3, так как с4 = 1 - с3 - с2 - с1. При условии наличия УП (отношение сигнал-помеха равнялось -4 дБ) наибольший приоритет приобретает критерий d2(Gopt(f),G(f,S)). Из результатов, приведенных на рисунке 3.5, следует, что эффективное подавление УП осуществляется при значениях с1 0,3 (с3 0,5); при этом для эффективного использования остальных критериев необходимо выбрать коэффициент с1 минимально возможным. Невысокая адаптация к УП при с3 =0,7; объясняется преобладанием в этом случае критерия минимума внеполосного излучения.
При этом конкретные значения весовых коэффициентов целесообразно задавать исходя из требований текущей задачи и обеспечения компромисса между спектральной и энергетической эффективностями. Например, далее в данной работе синтез СКК на основе «зависимых» сигналов осуществлялся при q =0,3 и c3 = 0,3. При этом необходимо отметить, что синтез СКК с применением аппарата «зависимых» сигналов позволяет сократить ширину СПМ по уровню -30 дБ на 37 % (в сравнении с синтезированными радиосигналами в п. 1.3.3 при с1 =0,25 и с3 = 0,3), однако формирование провала в СПМ синтезируемых СКК для адаптации ИСПИ к УП не позволяет достигнуть характеристик, реализуемых FQPSK-сигналами. Неконтролируемое ухудшение соответствующих показателей качества при значениях с1 = 0 или с3 = 0 подтверждает необходимость использования многокритериального синтеза СКК. Из анализа рисунков 3.5-3.7 следует, что при варьировании весовых коэффициентов с. изменяются соответствующие им показатели качества: g - от 7 дБ до отсутствия подавления УП; ширина СПМ по уровням -30 и -60 дБ соответственно - от 1,9 до 15,0 и от 5,3 до 31,2 fTs; пик-фактор - от 1,0 до 2,9.
Анализ показателей качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов при изменении параметров действующей узкополосной помехи
Для исследования эффективности предлагаемой процедуры многокритериального синтеза СКК на основе «зависимых» сигналов в интересах адаптации ИСПИ к действию УП целесообразно произвести количественную оценку показателей качества синтезированных СКК при вариации отношения сигнал-помеха, а также осуществить сравнительный анализ как синтезированных, так и известных СКК и радиосигналов. В качестве известной СКК на основе «зависимых» сигналов рассматривались FQPSK-сигналы.
На рисунке 3.8 представлены зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных СКК от отношения сигнал-помеха (д).Здесь ширина спектра действующей УП - 5 % от ширины СПМ синтезированной СКК на основе «зависимых» сигналов; расположение - на нулевой нормированной частоте.
Имитационное моделирование предлагаемой процедуры многокритериального синтеза СКК производилось в среде MATLAB. Из анализа рисунка 3.8 следует, что синтезированные СКК вплоть до q = -3 дБ сохраняют свою помехоустойчивость на уровне (ухудшение показателя g составляло менее 1 дБ) QPSK-сигнала при воздействии только АБГШ; при этом для рассмотренной известной СКК и QPSK-сигнала такие же значения показателя g достигаются при отношении сигнал-помеха больше 20 и 17 дБ соответственно.
Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов
Из анализа таблицы 3.4 следуют следующие рекомендации по применению разработанных процедур в случае преобладания некоторого требования: 1 в условиях действия сравнительно мощной УП (при отношении сигнал-помеха до -14,5 дБ) целесообразно применение синтезированного радиосигнала в п. 1.3.3 (q =0,5; с3 =0,3), при этом помехоустойчивость сохранялась на уровне (ухудшение составляло менее 1 дБ) QPSK-сигнала при воздействии только АБГШ; 2 при необходимости реализации минимального значения порога помехо 124 устойчивости в условиях действия АБГШ и УП целесообразно применение синтезированной СКК на основе решетчатого кодирования (q = 0,4; с3 = 0,3), при этом помехоустойчивость (при отношении сигнал-помеха q -4 дБ, см. п. 3.2) сохранялась на уровне (показатель g 6 дБ, т.е. ухудшение составляло менее 1 дБ) известной СКК ТСМ PSK-8 (p2(t)) при воздействии только АБГШ; 3 при требованиях минимизации воздействия УП (при отношении сигнал-помеха до -3,0 дБ) и дополнительного сокращения ширины СПМ по уровню -30 дБ целесообразно применение синтезированной СКК на основе «зависимых» сигналов (q = 0,3; q = 0,3), при этом помехоустойчивость сохранялась на уровне (ухудшение составляло менее 1 дБ) QPSK-сигнала при воздействии только АБГШ.
При этом при количестве отсчетов на символ ls = 32, скорости передачи информации Rs = 8 кбит/с и количестве битовых интервалов, через которое производится очередной акт оптимизации КА пор( = 1000 (оперативность адаптации к УП - менее 125 мс) оценка необходимой производительности ЦСП составила 24; 25,4 и 25 GOPS соответственно для процедур многокритериального синтеза радиосигналов (см. п. 1.3.3), СКК на основе решетчатого кодирования и СКК при помощи «зависимых сигналов». Следовательно, наиболее ресурсоемкая часть данных процедур - алгоритм определения локального минимума для адаптации ИСПИ к УП может быть реализован на отечественном ЦСП 1892ВМ7Я, который обеспечивает производительность 25,6 GOPS при 16-значных операндах [73].
Кроме того, как отмечалось выше (см. п. 1.5.1), при использовании функциональной зависимости S(fN) взамен алгоритма определения локального минимума целевой функции на примере многокритериального синтеза радиосигналов из п. 1.3.3 происходит существенное сокращение вычислительных затрат: на ЦСП 1892ВМ7Я данный алгоритм может быть реализован в режиме реального времени при Ду =10 Мбит/c, nopt 1. При этом приведенный в п. 1.5.1 способ сокращения вычислительных затрат возможно применить и к процедурам многокритериального синтеза СКК в интересах существенного улучшения скоростных характеристик.
При применении класса радиосигналов с прямым расширением спектра целесообразно использование процедур синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП для адаптации ИСПИ к действующим УП и СП (см. п. 2.2 и 2.3 соответственно).
Процедура многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП при воздействии АБГШ и УП (центральная частота fN = 0 fTs, ширина спектра УП AfN ш = 6% от ширины СПМ синтезированного радиосигнала) при отношении сигнал-помеха q 0 дБ обеспечивала порог помехоустойчивости на уровне (ухудшение составляло менее 1 дБ) QPSK-сигнала при воздействии только АБГШ, что на 2,0 дБ лучше данного показателя для рассмотренных известных радиосигналов (QPSK c расширением спектра ансамблем дополненных M-последовательностей). При этом у синтезированного че-тырехпозиционного радиосигнала показатель качества перепутывания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации улучшен более чем в 5 раз, а уровень боковых лепестков АКФ по критерию (2.5) при fN=0 fTs возрос на 4 %, а при fN = 0,25 fTs обеспечивался выигрыш на 10 % по сравнению с сигналом с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей.
Процедура многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП при воздействии АБГШ и СП (в виде QPSK-сигнала с расширением спектра ансамблем случайных КП; частотно-временные диапазоны для СП и полезного сигнала совпадают) при отношении сигнал-помеха q -5 дБ обеспечивала порог помехоустойчивости на уровне (ухудшение составляло менее 1 дБ) QPSK-сигнала при воздействии только АБГШ, что на 5 дБ лучше данного показателя для рассмотренных известных радиосигналов (QPSK с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей). При этом у синтезированных радиосигналов показатель качества перепутывания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации улучшен более чем в 2 раза, а уровень боковых лепестков АКФ по критерию (2.5) на 5 % меньше по сравнению с сигналом с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей. При этом возможно реализовать процедуры многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП для адаптации ИСПИ как к УП (/ = 32, Rs=8 кбит/с, nopt=\20, оперативность адаптации к УП - менее 20 мс), так и к СП (/ = 32, Rs = 8 кбит/с, nopt = 15, оперативность адаптации к СП составит менее 2 мс) на современной отечественной элементной базе (ЦСП 1892ВМ7Я).
Оценки необходимой производительности ЦСП для реализации наиболее ресурсоемких частей предлагаемых процедур свидетельствуют о том, что на современной отечественной элементной базе (ЦСП 1892ВМ7Я) возможна реализация функций ИСПИ по адаптации к действующей помеховой обстановке при обозначенных временных характеристиках.