Анализ и разработка цифровых устройств по обнаружению и подавлению узкополосных помех в радиоканалах связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Семенов, Евгений Сергеевич

• Семенов, Евгений Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семенов, Евгений Сергеевич

Введение

1 Методы борьбы с сосредоточенными по спектру помехами

1.1 Классификация методов

1.2 Непараметрические алгоритмы

1.2.1 Алгоритмы определения узкополосных помех на основе БПФ

1.2.2 Периодограммный метод

1.2.3 Метод Уэлча

1.3 Алгоритмы адаптивной цифровой фильтрации

1.3.1 Алгоритм настройки нерекурсивного адаптивного фильтра по минимуму СКО

1.3.2 Алгоритм настройки нерекурсивного адаптивного фильтра по минимуму СКО с помощью градиентного метода

1.3.3 Рекурсивные алгоритмы наименьших средних квадратов

1.3.4 Метод линейного предсказания

1.3.5 Решетчатые фильтры

1.4 Оценка вычислительных затрат алгоритмов адаптивной цифровой фильтрации

1.5 Краткие выводы к главе

2 Цифровые алгоритмы обнаружения и подавления узкополосных помех

2.1 Подавление помехи адаптивным режекторным ЦФ с комплексным множителем

2.2 Цифровые режекторные фильтры на основе возвратного гетеродинирования

2.2.1 Алгоритм функционирования перестраиваемого режекторного цифрового фильтра

2.2.2 Фазорасщепитель

2.2.3 Управляемый косинусно-синусный генератор

2.2.4 Неперестраиваемый режекторный фильтр

2.3 Система обнаружения и подавления узкополосной помехи

2.3.1 Алгоритм функционирования

2.3.2 Адаптивный алгоритм режекции помехи

2.3.3 Результаты моделирования на ЭВМ алгоритма работы РФ с возвратным гетеродинированием

2.4 Определение частоты внутриполосной сосредоточенной по спектру помехи методом частотного детектирования

2.5 Краткие выводы к главе

3 Влияние цифровых алгоритмов подавления узкополосных помех на полезный сигнал

3.1 Модулятор и демодулятор сигнала QPSK

3.2 Модулятор и демодулятор сигнала GMSK

3.3 Влияние режекторного фильтра с возвратным гетеродинированием на помехоустойчивость автокорреляционного демодулятора

3.4 Влияние работы устройств по обнаружению и подавлению узкополосной помехи на примере QPSK и GMSK сигналов

3.4.1 Влияние работы алгоритма при приеме сигнала QPSK

3.4.2 Влияние работы алгоритма подавления помехи при приеме сигнала GMSK

3.5 Краткие выводы к главе

4 Разработка программного обеспечения по обнаружению и подавлению узкополосных помех

4.1 Автоматизированная система по обнаружению узкополосных помех

4.1.1 Архитектура АИС

4.1.2 База данных автоматизированной системы 105 4.2. Разработка структуры аппаратного и программного обеспечения

4.2.1 Функциональная схема цифрового процессора

4.2.2 Взаимодействие цифрового процессора и CCS

4.3 Структура программного обеспечения для реализации разработанных методов по определению и подавлению узкополосных помех

4.3.1 Разработка алгоритма программного обеспечения схемы перестраиваемого режекторного фильтра с комплексным множителем

4.3.2 Разработка алгоритмов программного обеспечения фильтрации помехи на основе метода возвратного гетеродинирования

4.3.3 Разработка программного обеспечения для определения частоты помехи с помощью амплитудных детекторов

4.3.4 Разработка программного обеспечения системы определения частоты помехи по алгоритму частотного детектирования

4.4 Разработка алгоритмов подавления узкополосных для ЦСП с помощью Simulink пакета MATLAB

4.5 Оценка вычислительных затрат разработанных алгоритмов подавления помех и их сравнительная характеристика с известными алгоритмами

4.6 Краткие выводы к главе 124 Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и разработка цифровых устройств по обнаружению и подавлению узкополосных помех в радиоканалах связи»

С увеличением числа работающих, в том числе и несанкционированных средств радиосвязи усложняется помеховая обстановка в радиоэфире. Кроме того, значительно изменяются условия распространения радиоволн в течение суток. Работающие радиоприемные устройства испытывают значительные трудности при приеме и обработке сообщений. Применение разнесенного приема, улучшенных алгоритмов обработки сигналов на фоне различных видов помех и селективных замираний сигналов не позволяют в полной мере устранить все эти мешающие факторы. В каждом конкретном случае приходится применять целый набор методов борьбы с мешающими нормальному приему сообщений факторами.

В связи со значительной загруженностью радиоканалов работающими радиосредствами одним из основных видов помех становятся сосредоточенные по спектру помехи. В работах Финка Л.М., Карташевского В.Г., Мишина Д. В., Мухина Н.П. описаны способы борьбы с этим видом помех. Однако мало изучено влияние технических средств подавления сосредоточенных помех на полезный сигнал, не определены количественные характеристики этих средств, при которых борьба с этими помехами приводит к разрушению информации, заложенной в сигнале.

В начале 80-ых годов 20-ого века появились новые технические средства обработки сигналов, получившие название цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) [52]. В них используются цифровые методы обработки сигналов. В последующие годы технические и экономические характеристики ЦСП постоянно улучшались: повышалось их быстродействие, увеличивались разрядность операндов и число ячеек памяти, уменьшались габариты, энергопотребление и стоимость. В результате к концу 20 - ого века выполненные на ЦСП устройства обработки сигналов стали выигрывать в конкурентной борьбе у аналоговых устройств по технико-экономическим показателям, а в ряде случаев их применение стало безальтернативным. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что в аналоговых устройствах обработки сигналов принципиально присутствуют нестабильность параметров, несовпадение количественных характеристик отдельных узлов и звеньев, затруднена или невозможна технология адаптации этих устройств к изменяющимся свойствам помех [52]. В цифровых устройствах обработки сигналов все перечисленные недостатки аналоговых устройств отсутствуют, поэтому на базе ЦСП возможна реализация таких способов борьбы с сосредоточенными помехами, которые нельзя было реализовать на аналоговой элементной базе.

Вопросам построения цифровых устройств по обнаружению и подавлению сосредоточенных по спектру помех, посвящены работы Уидроу Б., Ма-кула Дж., Милстайна Л.Б., Зинчука В.М., Лимарева А.Е., Парфенова В.И. Однако применение устройств цифровой обработки сигналов для борьбы с сосредоточенными помехами также не лишено проблем. В литературных источниках не достаточно глубоко рассмотрены методы синтеза таких устройств, не сделано сравнение способов борьбы с этим видом помех по вычислительным затратам, не исследовано влияние режекции помех разными методами на разрушение полезной информации в принимаемом сигнале, не определены наиболее устойчивые к сосредоточенным помехам виды модуляции, их стойкость к разным способам подавления сосредоточенных помех.

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов определения и подавления узкополосных помех, которые позволяют снизить вычислительные затраты, исследование воздействия узкополосных помех на полезные сигналы с различными видами манипуляции, а также получению необходимых количественных оценок этих характеристик.

В работе использованы положения теории электрической связи, теории автоматического управления, теории кодирования.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработаны алгоритмы подавления сосредоточенных помех с применением адаптивного режекторного фильтра, который, в отличие от известных, имеет комплексный множитель, за счет которого обеспечивается полное подавление на частоте помехи при перестройке фильтра в большом диапазоне частот.

2. Разработаны алгоритмы частотного и амплитудного детектирования узкополосной помехи, позволяющие эффективно определять частоту этой помехи.

3. Предложена цифровая реализация режекторного фильтра с использованием возвратного гетеродинирования, которая дала возможность получить идентичные АЧХ в пределах диапазона перестройки цифрового фильтра и простоту перестройки в пределах диапазона.

4. Установлено влияние режекции помехи разработанными цифровыми устройствами на степень разрушения информации в сигнале.

Полученные в работе результаты использованы для фильтрации сосредоточенных помех, возникающих в каналах радиосвязи. Разработанные алгоритмы могут быть использованы для обнаружения сосредоточенной помехи и для определения её частоты, которые практически могут быть реализованы на основе разработанной автоматизированной системы.

Предложенные алгоритмы определения частоты помехи позволили расширить диапазон практического применения поиска источников излучения сосредоточенных помех в системах пеленгации.

Материалы диссертации использованы в учебном процессе ПГАТИ.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Цифровая реализация режекции узкополосной помехи на основе метода возвратного гетеродинирования.

2. Алгоритм определения и подавления узкополосной помехи на основе адаптивного режекторного фильтра.

3. Алгоритмы определения частоты узкополосной помехи методом частотного и амплитудного детектирования.

4. Результаты численного исследования влияния режекции помехи цифровым устройством на степень разрушения информации в сигнале.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на десятой, одиннадцатой, двенадцатой российской научных конференциях, г. Самара, 2003-2005; второй международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 2003; третьей международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Волгоград, 2004; на десятой международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2004; пятой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Самара, 2004; научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», г. Самара 2005г.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Семенов, Евгений Сергеевич

Заключение

В настоящей диссертационной работе исследован ряд важных вопросов связанных с цифровой обработкой сигналов при обнаружении и подавлении узкополосных помех. Исследования данной работы позволяют сделать следующие выводы:

1. Наиболее эффективными методами борьбы с сосредоточенными помехами с точки зрения восстановления полезной информации из принимаемого сигнала являются режекция на основе возвратного гетеродинирования и адаптивного РФ с комплексным множителем.

2. По вычислительным затратам алгоритм на основе метода возвратного гетеродинирования несколько уступает методу адаптивного РФ, так как в состав устройства входит дополнительно преобразователь частоты.

3. Из двух видов модуляции сигналов (QPSK и GMSK) более подвержен действию сосредоточенной по спектру помехе последний вид модуляции. Этот факт объясняется тем, что ширина спектра сигнала QPSK больше, чем у сигнала GMSK, поэтому влияние узкополосной помехи на сигнал GMSK оказывается более значительным.

4. Разработанные алгоритмы борьбы с сосредоточенными помехами доведены до работающих и проверенных схем. Все они были смоделированы на ЭВМ, в результате моделирования были установлены закономерности и выданы рекомендации по расчету параметров узлов, по их схемным решениям, по применению тех или иных узлов в устройствах для борьбы с узкополосными помехами.

5. В диссертации показана возможность реализации разработанных алгоритмов на базе ЦСП типа TMS320. Из исследований данной работы можно сделать вывод, что разработанные алгоритмы позволяют осуществлять техническую реализацию устройств по обнаружению и подавлению узкополосных помех в системах радиосвязи.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору кафедры Радиоприемных устройств ПГАТИ Анатолию Ивановичу Тяжеву за постоянное и внимательное руководство.

Автор считает приятным долгом поблагодарить доцента к.т.н. В.Г. Иванову за ценные советы, полученные в процессе работы над диссертацией.

Автор благодарен сотрудникам кафедры Радиоприемных устройств ПГАТИ за высказанные замечания при обсуждении этой работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семенов, Евгений Сергеевич, 2005 год

1. Адаптивные фильтры. // Пер. с англ.; Под. ред. К. Ф. Н. Коуэна и П.М, Гранта. - М.: Мир - 1988.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. // Учебник. -2-е изд. -М.: Высш. Шк. 1988. - 448 с.

3. Березин Л.В., Вейцель В.А. Теория и проектирование радиосистем.// Под ред. В.Н. Типугина. М.: Сов. Радио. - 1977. - 448с.

4. Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование баз данных информационных систем. М.: Финансы и статистика.- 1989. - 351 с.

5. Буга Н.Н., Фалько А.И, Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства. М.: Связь, 1974. -408 с.

6. Вендров A.M. Один из подходов к выбору средств проектирования баз данных и приложений. // "СУБД" 1995. - №3.

7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей // Учебник. 7-е изд. - М.: Высш. шк.-2001.- 575 с.

8. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математики. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы.- 1968.-416 с.

9. Вайнштейн Л.А., Вакман Д.Е. Разделение частот в теории колебаний и волн.-М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы .-1983.-288 с.

10. Говорухин В.Н., Цибулин В.Г. Компьютер в математическом исследовании // Учебный курс. СПб.: Питер. - 2001.

11. Голд Б., Рейдер Ч. Цифровая обработка сигналов // Пер. с англ.; Под ред. А. М. Трахтмана. -М.: Сов. Радио. 1973. - 368 с.

12. Головин О.В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметро-вого диапазона. -М.: Радио и связь. 1985. -288с.

13. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. // Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь - 1986. - 512 с.

14. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB // Учебный курс. СПб: Питер. - 2000.

15. Гуткин JI.C. Проектирование радиосистем и радиоустройств. -М.: Радио и связь. 1986. -288 с.

16. Дейт К. Руководство по реляционной СУБД DB2. М.: Финансы и статистика.- 1988.-320 с.

17. Джексон Г. Проектирование реляционных баз данных для использования с микроЭВМ. М.: Мир. - 1991. - 252 с.

18. Дьяконов В.П. MATLAB 6 // Учебный курс. СПб.: Питер. - 2002.

19. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB'.Специальный справочник. СПб.: Питер. - 2001.

20. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник. СПб.: Питер - 2002.

21. Иванова В.Г., Реализация цифровых косинусно-синусных генераторов на сигнальном процессоре. // Радиотехника. 1992- №3 - С. 28

22. Иванова В.Г., Семенов Е.С.Цифровая режекция внутриполосной сосредоточенной по частоте помехи радиоприему // Материалы XI Российская научная конференция. Самара: ПГАТИ- 2004.

23. Иванова В.Г., Семенов Е.С., Тяжев А.И., Методы цифровой фильтрации сосредоточенной по частоте помехи. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы пятой международной конференции.г. Самара. 2004. - С.61-63.

24. Иванова В.Г., Семенов Е.С., Тяжев А.И., Режекция сосредоточенной по частоте помехи методом возвратного гетеродинирования // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.- 2004- №4 С. 100-108.

25. Иванова В.Г., Семенов Е.С., Тяжев А. И. Цифровой фильтр для подавления узкополосных помех в каналах связи // Инфокоммуникационные технологии, 2004 - №3 - С. 31

26. Иванова В.Г., Тяжев А.И. Реализация алгоритмов цифрового амплитудного детектирования // Радиотехника. -1987- №8. — С. 82-83.

27. Исследование цифровых методов формирования и обработки сигналов в системах радиосвязи: Отчет о НИИР (заключит.)// ПГАТИ: Руководитель Тяжев А.И. № ГР 01.2.00314164; Инв. № 02200306336. - Самара.- 2003.-42с

28. Исследование цифровых методов формирования и обработки сигналов в системах радиосвязи: Отчет о НИИР (заключит.)// ПГАТИ: Руководитель Тяжев А.И. № ГР 01.2.00314164; №темы Г8/98 - Самара. - 2004. -55 с.

29. Кириллов В.В. Структуризованный язык запросов (SQL). СПб.: ИТ-МО.- 1994.- 80 с.

30. Кловский Д.Д., Теория передачи сигналов // Учебник М.: Связь.- 1973. -376 с.

31. Кловский Д.Д., Николаев Б.И. Инженерная реализация радиотехнических схем в системах передачи дискретных сообщений в условиях межсимвольной интерференции. -М.: Связь-1975. -200 с.

32. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д., Цифровая обработка сигналов. // 2-е изд., переаб. и доп. СПб.: Политехника, 1999. — 592 с.

33. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. // 3-изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь - 1989. - 656 с.

34. Левин В.А., Норкин Г.А. Радиотехнические системы фильтрации с возвратным гетеродинированием.- М.: Изд-во Сов. Радио 1979. -272с.

35. Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х. Защита от радиопомех. -М.: Сов. Радио. 1976. - 496 с.

36. Марпл -мл. С. Л., Цифровой Спектральный анализ и его приложения // Пер. с англ. М.: Мир - 1990. - 584 с.

37. Мартин Дж. Планирование развития автоматизированных систем. М.: Финансы и статистика - 1984. - 196 с.

38. Мидлтон Д. Введение в статистическую теорию связи. // т. 1,2. М.: Сов. Радио.-1961.

39. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. 3-е изд., стереотипное. - М.: Гос. изд. Физ-Мат. Литер - 1961. - 748 с.

40. Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах. // Под ред. С.Я. Шаца. -М.: Сов. Радио. 1976. - 312с.

41. Прохоров Ю.Н. Статистические модели и рекуррентное предсказание речевых сигналов. М.: Радио и связь - 1984.

42. Рабинер Л, Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов.- М.: Изд-во Мир. 1978 - 848с.

43. Семенов Е.С., Алгоритм подавления узкополосных помех в радиоканале связи // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Материалы десятой международной научно техническая конференции, Москва.- 2004.

44. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер.- 2002-608с.

45. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: в 2 ч .// Пер. с англ. М.: Мир-1988.

46. Соколинский В.Г., Шейнкман В.Г. Частотные и фазовые модуляторы и манипуляторы. -М.: Радио и связь 1983. -192 с.

47. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь: Пер. с англ. // Под ред. В.В. Маркова. М.: Связь. - 1979. - 592 с.

48. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных. В 2 кн., Ц М.: Мир.-1985.-287 с.

49. Тихонов В.И., Кульман Н.К., Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. — М.: Сов. радио. 1975. - 704 с.

50. Тихонов В.И., Статистическая радиотехника. М.: Сов. Радио.- 1966. -680с.

51. Тяжев А.И. Выходные устройства приемников с цифровой обработкой сигналов. Самара: изд-во. ун-та.-1992. 276 с

52. Тяжев А.И. Оптимизация цифровых детекторов в приемниках по минимуму вычислительных затрат Самара: Изд-во ПИИРС. - 1994.- 256 с.

53. Тяжев А.И. Основы теории управления и радиоавтоматика Москва: изд-во «Радио и связь».- 1999. - 188 с.

54. Тяжев А.И. Расчет нерекурсивных цифровых фильтров с плоской и неравномерной АЧХ // Электросвязь. -1991- №10. -С. 43-45.

55. Тяжев А.И. Расчет двухконтурных цифровых полосовых фильтров // Радиотехника. -1987-№9.-С. 80-82.

56. Тяжев А.И., Акчурин К.Э, Семенов Е.С., Цифровые демодуляторы фазо-манипулированных сигналов с адаптивными узлами // Инфокоммуникацион-ные технологии, 2004 - №4.

57. Тяжев А.И, Иванова В.Г., Семенов Е.С., Определение частоты внутрипо-лосной сосредоточенной по спектру помехи методом частотного детектирования // Инфокоммуникационные технологии, 2005 - №2.

58. Финк JI.M. Сигналы, помехи, ошибки. //2-е изд., переаб. и доп. М.: Радио и связь - 1984 - 256 с.

59. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. Радио. -1970.- 728 с.

60. Фомин Н.Н. Радиоприемные устройства // Учебник. -2-е изд. перераб. и допол. — М.: Радио и связь 2003. - 520 с.

61. Фомин А.Ф., Хорошавин А.И., Шелухин О.И. Аналоговые и цифровые синхронно-фазовые измерители и демодуляторы.// Под. ред. А.Ф. Фомина.-М.:Радио и связь, 1987. -248 с.

62. Френке JI. Теория сигналов // Пер. с англ.: Под ред. Д. Е. Вакмана. М.: Сов. Радио, 1974.

63. Уидроу Б., Стирнз С.Д. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь. - 1989.

64. Ульман Дж. Базы данных на Паскале. Ц М.: Машиностроение.- 1990386 с.

65. Хаббард Дж. Автоматизированное проектирование баз данных. Ц М.: Мир.- 1984.- 294 с.

66. Харитонов М.И. Помехоустойчивость частотного детектора с линией задержки// Радиотехника. 1976, № 9. - С. 29-31.

67. Харкевич А.А., Спектры и анализ. -М.: Физматгиз, 1962. 236 с.

68. Цикритизис Д., Лоховски Ф. Модели данных. -М.: Финансы и статистика, 1985. 344 с.

69. Чепиков А.П. Цифровой частотный детектор // Радиотехнические системы и устройства: Сб. научн. тр. учебн. ин-тов связи/ ЛЭИС. -Л. 1976, № 76. -С. 93-95.

70. Чистяков Н.И., Сидоров В.М. Радиоприемные устройства. -М.: Связь-1974. -408 с.

71. Шахгильдян В.В., Ляховкин. Системы фазовой автоподстройки частоты. -М.: Связь.- 1972.-477 с.

72. Шахгильдян В.В., Федосеева В.Н., Динамика цифровых систем ФАГТЧУ/ Радиотехнические системы и устройства: Сб. научн. тр. учебн. ин-тов связи/ ЛЭИС. -Л. 1976- № 79. -С. 48-50.

73. Blonstein S. Katorgi М. Express DSP for Dummies, 2003 106 p.

74. Candy J., Wooley В., Benjamin O. A voice band coder with digital filtering // IEEE Trans. On COM., v. com-29, 1981, № 6, p. 815-830.

75. Code Composer Studio User's Guide, 2000 260 p.

76. Goodman D., Carey M. Nine digital filters for decimation and interpolation// IEEE Trans. On ASSP, v. ASSP-25, 1977, №2, p. 121-126.

77. Mclellan J.H., Parks T. W., Rabiner L.R. A computer program for designing optimum FIR linear phase digital filters // IEEE Trans. On AU, v. AU-21, December 1973, №6, p. 506-526.

78. TMS 320 С 6000 Assembly Language Tools User's Guide, 2003 105p.