Введение к работе
Актуальності, работы. Современное состояние развития систем подвижной радиотелефонной связи характеризуется все более широким использованием сотовых систем, которые позволяют создавать глобальные сети персональной связи, обеспечивающие высокое качество и надежность передачи сообщений В настоящее время в мире существует несколько стандартов систем, которые отличаются друг от-друга и используют принципы частотного, временного и кодового разделения каналов. Накопленной в мире опыт эксплуатации систем сотовой радиотелефонной связи показывает, что системы связи с широкополосными сигналами (ШПС) являются наиболее перспективными для использования в сложных условиях внешней электромагнитной обстановки и нестационарной среде распространения радиоволн.
Известно, что обеспечение устойчивых характеристик канала связи с подвижным объектом, перемещающимся с большой скоростью в условиях холмистой и горной местности, *а также в условиях высокоэтажной городской застройки, представляет одну из самых значительных проблем. Радиосигнал распространяется от передатчика до приемника по многим путям, испытывая многократные псреогражо-. ния, причем время распространения, допплеровский сдвиг частоты и затухание по каждому из лучей являются случайными величинами. Радикальным способом обеспечения надежной связи является использование широкополосных сигналов, обеспечивающих возможность разделения лучей по времени прихода. За счет раздельной обработки каждого из лучей и последующего оптимального их суммирования ' глубина замираний суммарного сигнала уменьшается и энергетический потенциал радиолинии возрастает. Эффект многолучевого распространения, играющий негативную роль в узкополосных системах, становится положительным фактором в системах связи с ШПС, поскольку многочисленные переотражатели выполняют роль "зеркал", направ-. ляющих энергию сигнала от передатчика к приемнику.
Кроме этого, системы связи с ШПС обладают высокой защищенностью от узкополосных помех, тогда как сами создают минимальную помеху за счет низкой спектральной плотности мощности сигнала. Устройства защиты от узкополосных помех обеспечивают работоспособность При значительном превышении уровня помех над сигналом.
Все эти факторы в совокупности обеспечивают системам с ШПС большие перспективы развития, о чем свидетельствует постоянно растущий мировой объем инвестиций в разработку проектов широкополосных систем.
Однако реализация положительных качеств систем с ШПС требует совместного учета факторов многолучевости и обеспечения защиты от узкополосных помех. Традиционно эти вопросы рассматривались раздельно и без учета их взаимовлияния. В результате проводившихся исследований разработаны как эффективные методы защиты широкополосных систем от узкополосных помех,так и способы обработки многолучевых сигналов. В то же время, использование известных устройств защиты от узкополосных помех приводит к искажениям автокорреляционной функции (АКФ) сигнала и вызывает появление дополнительных боковых выбросов ог основного сигнального отклика, которые могут быть восприняты как независимые канальные лучи, что приводит в условиях многолучевого распространения к возникновению зффекта маскировки задержанных во времени канальных лучей боковыми выбросами основного наиболее сильного луча, при этом выделение более слабых независимых лучей становится трудноразрешимой задачей. Как следствие, это вызывает снижение энергетического потенциала радиолинии.
Таким образом, в широкополосных системах связи существует реальная проблема снижения помехоустойчивости приема ШПС при непосредственном объединении известных алгоритмов и устройств защиты от узконолосных помех и процедур обработки многолучевых сигналов.
С другой стороны, на начальном этапе синхронизации аппаратуры в системе связи возникает задача обнаружения многолучевых ШПС, которую приходится решать в условиях значительной априорной неопределенности относительно статистических характеристик сигналом и помех, когда получение достоверных оценок параметров сигнала и канала связи не представляется возможным. Кроме того, к системе обнаружения предъявляются противоречивые требования обеспечения как минимальной вероятности пропуска, так и вероятности ошибки при различении сигналов. В связи с этим возникает проблема выбора критериев оптимальности алгоритмов многоканального обнаружения ШПС и синтеза таких структур обнаружителей, которые учитывали бы разнородные требования к системе.
Наличие ограничений на скорость и объем вычислений современных устройств цифровой обработки сигналов вызывает необходимость поиска новых субоптимальных и нетрадиционных алгоритмов обработки ШПС, отличающихся невысокой вычислительной сложностью, и обеспечивающих близкие к потенциальным характеристики помехоустойчивости. Все это подтверждает актуальность исследования вопросов обнаружения ШПС в многолучевых каналах при режекции
з узкополосных помех, которые позволили бы повысить качественные характеристики систем связи.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов выделения независимых компонент многолучезых широкополосных сигналов и оптимального их обнаружения при частотной режек-нии узкополосных помех для систем цифровой радиотелефонной связи, позволяющих повысить их помехоустойчивость.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
1. Исследование методов устранения влляния частотной режек-
иии в устройствах защиты от узкополосных помех на автокорреляци
онную функцию сигнала, дискриминационную характеристику системы
слежения за задержкой и когерентность восстановленной несущей час
тоты. Определение влияния особенностей спектральной обработки на
величину ошибки оценки параметров многолучевого сигнала.
-
Исследование алгоритмов многоканального обнаружения сигналов в условиях статистической и критериальной неопределенности.
-
Разработка устройств приема широкополосных сигналов в многолучевых каналах на основе перестраиваемых согласованных фильтров.
-
Исследование помехоустойчивости алгоритмов многоканального обнаружения.
Методы исследований. Для решения перечисленных задач были использованы методы математической статистики, теории многокритериальной оптимизации, аппарат теории вероятностей, методы спектрального анализа. Основные теоретические результаты проверены путем статистического имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новгізна работы состоит в следующем:
-
Предложен метод обработки ШПС в многолучевых каналах, устраняющий искажения АКФ сигнала, возникающие при частотной режекции в устройствах защиты от узкополосных помех, который основан на частотном сдвиге нережектпровапных компонент спектра сигнала в область режсктнрованных частот с целью придания квазигладкого и унимодального характера огибающей спектра сигнала.
-
Предложен обобщенный векторный критерий оптимальности системы многоканального обнаружения сигналов, позволяющий учесть разнородные требования к вероятностям ложного и ошибочного обнаружений и вероятности пропуска сигнала.
Л ' -
-
Синтезирована модифицированная структура многоканального обнаружителя, обобщающая ранее известные алгоритмы обнаружения сигнала на интервале и в точке.
-
Разработано устройство обработки ШПС на основе укороченного согласованного фильтра с перестраиваемой импульсной характеристикой, которое по своим структурным и функциональным евопстиам является промежуточным между коррелятором и согласованным фильтром.
-
Разработано устройство обнаружения многолучевых сигналов, отличающееся небольшой вычислительной сложностью.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Предложенный метод преобразования спектра ШПС после частотной режекцин в устройствах защиты от узкополосных помех позволяет разрабатывать узлы цифровой обработки для различных систем широкополосной связи, отличающиеся высокой помехоустойчивостью в условиях нестационарной иомеховой обстановки.
-
Синтезированная структура многоканального обнаружителя позволяет путем задания конкретного значения скалярного весового коэффициента решать проблему выбора наиболее эффективного обнаружителя при заданных условиях'обнаружения и может быть исполь. зована для построения обнаружителей в системах поиска широкополосных сигналов на начальном этапе синхронизации.
3. При технической реализации разработанного устройства об
работки ШПС на основе укороченного перестраиваемого согласованно
го фильтра требуется в несколько раз меньший объем памяти и произ
водительность процессора цифровой обработки сигналов по сравнению
с согласованным фильтром.
Реализация и внедрение результатов исследований
Результаты теоретических исследований и изобретения использованы в аппаратуре широкополосной связи, разработанной Воронежским НИИ связи и выпускаемой предприятиями радиоэлектронной промышленности, о чем имеется соответствующий акт внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту: .
1. Метод частотного смещения спектральных компонент много
лучевого- сигнала, устраняющий паразитные боковые выбросы АКФ
сигнала при частотной режекции спектра.
2. Алгоритмы обработки ШПС, устраняющие деформацию дис
криминационной характеристики и восстанавливающие когерентность
выделенной несущей частоты.
-
Обобщенный алгоритм оптимального многоканального обнаружения."
-
Устройство сегментарной согласованной фильтрации ШПС.
-
Результаты анализа показателей качества разработанных алгоритмов обнаружения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались па научно-технических конференциях ВНИИС (Воронеж, 1989, 1992) и Всероссийской научно-технической конференции (Воронеж, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 6 статей и 5 изобретений.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и.і введения, четырех глав, заключения и, содержит список литературы из 129 наименований. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, в котором приведено 88 рисунков и 2 таблицы.
