Исследование и разработка алгоритмов приема сигналов ППРЧ в каналах с памятью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Агеев, Александр Владимирович

• Агеев, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Агеев, Александр Владимирович

Введение.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ВСКРЫТИЯ МОДУЛЯЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ С НЕИЗВЕСТНОЙ СТРУКТУРОЙ И МЕТОДОВ РАСПОЗНАВАНИЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ ПО ВИДУ МОДУЛЯЦИИ

1.1. Системы радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты.

1.2. Определение вида модуляции радиосигналов с неизвестной структурой.

1.2.1. Введение, постановка задачи.

1.2.2. Модели сигналов и видов модуляции, используемых при передаче дискретных сообщений.

1.3. Основные этапы вскрытия и распознавания модуляционных параметров неизвестных радиосигналов.

1.4. Методы классификации вида цифровой модуляции.

1.4.1. Классификация вида цифровой модуляции по сигнальным созвездиям

1.4.2. Байесовская классификация сигнальных созвездий.

1.4.3. Метод классификации на основе расстояния Хеллинжера.

1.4.4. Метод матриц пространственных моментов.

1.5. Классификация вида цифровой модуляции по сигнальным реализациям

1.5.1. Классификация вида цифровой модуляции использующая

Wavelet — преобразование.

1.5.2. Классификация различных типов МЧС модуляции, использующая момент 1-го порядка комплексной огибающей сигнала.

1.5.3. Классификация типов модуляции, использующая модель авторегрессии временного ряда.

1.5.4. Классификация ЧМ модуляции с «прыгающей частотой», использующая время-частотное представление.

1.6. Выводы.

2. ПРИЕМ СИГНАЛОВ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ В КАНАЛАХ С ПАМЯТЬЮ.

2.1. Постановка задачи ;.'.

2.2. Структура системы радиосвязи для передачи дискретных сообщений. Общая характеристика канала связи.

2.3. Математическая модель канала связи.

2.4. Оптимальный прием "в целом" в каналах с памятью и совокупной гауссовской аддитивной помехой.

2.5. Реализация последовательного алгоритма приема дискретных сообщений в каналах с памятью.

2.6. Анализ помехоустойчивости алгоритма «прием в целом с поэлементным принятием решения».

2.7. Прием сигналов ППРЧ как задача слепой идентификации.

2.8. Метод максимального правдоподобия для идентификации векторного канала.

2.9. Выводы.

3. ПРИЕМ СИГНАЛОВ ППРЧ С ФМ-4 В КАНАЛЕ С ПАМЯТЬЮ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО СВОЙСТВ КАНАЛА.

3.1. Формирование сигналов ФМ-4 на передаче.

3.2. Алгоритм демодуляции сигналов ФМ-4 в канале с памятью.

3.3. Алгоритм слепого оценивания импульсной характеристики канала с памятью.

3.4. Анализ помехоустойчивости приема сигналов ФМ-4 в канале с памятью

3.5. Выводы.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ППРЧ В КАНАЛАХ С ПАМЯТЬЮ.

4.1. Вычисление скаляра в задаче слепой идентификации по методу максимального правдоподобия.

4.2. Моделирование оценок импульсной характеристики канала с памятью на основе метода максимального правдоподобия.

4.3. Моделирование процесса демодуляции по алгоритму ПЦППР совместно со слепым оцениванием импульсной характеристики

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка алгоритмов приема сигналов ППРЧ в каналах с памятью»

Актуальность темы.

Псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) представляет собой один из эффективных методов расширения спектра, при котором сигнал занимает полосу частот значительно более широкую по сравнению с полосой, * минимально необходимой для передачи информации. Рабочая частота сигнала перестраивается в широких пределах выделенного для связи частотного диапазона в соответствии с псевдослучайным кодом, известным только на приемной стороне и неизвестным всем, кто пытается перехватить радиопередачу или организовать постановку помех.

Проблемам организации связи при использовании сигналов ППРЧ посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов, обзор которых приведен в [3]. В России весьма плодотворно по данной тематике работают научные школы Л.Е. Варакина, Г.И. Тузова, В.И. Борисова и др. Отличительной особенностью подавляющего числа отечественных и зарубежных публикаций по данной тематике является использование сигнально-кодовых конструкций, основанных на применении сигналов М-ичной частотной манипуляции совместно с блоковым кодированием. При этом, как правило, рассеяние энергии передаваемого сигнала во времени (память канала) не учитывается из-за невысоких скоростей передачи дискретных сообщений.

Однако, в последнее время на зарубежных трассах с ППРЧ стали широко применяться методы фазовой манипуляции, предполагающие использование когерентных методов обработки, совместно со свёрточным кодированием при высоких скоростях передачи (например, в декаметровом канале связи в полосе канала тональной частоты скорость составляет от 4800бит/с и выше). Решение задачи обнаружения и обработки таких сигналов представляет особый интерес для целей радиоконтроля.

Неизвестность используемого вида модуляции, скорости передачи (и, следовательно, величины памяти канала) совместно с априорной неопределенностью относительно свойств канала являются главными факторами, определяющими сложность алгоритмов классификации вида модуляции, оценивания характеристик канала и алгоритмов демодуляции принимаемого сигнала.

В данной работе (в предположении, что используемый вид модуляции определен) решается задача приема сигналов ППРЧ при использовании фазовой модуляции ФМ-4 в каналах с памятью и неизвестными параметрами.

Цель работы.

Разработка алгоритмов приема сигналов ППРЧ с ФМ-4 в канале с памятью и неизвестными параметрами. Исследование помехоустойчивости алгоритмов демодуляции ФМ-4 в канале с памятью.

Основные задачи исследования

- Анализ методов слепой идентификации (слепого оценивания) импульсной характеристики канала связи с памятью для построения когерентного демодулятора.

- Разработка алгоритмов демодуляции сигналов ФМ-4 в каналах с памятью при разнесенном приеме.

- Разработка метода анализа помехоустойчивости алгоритма когерентного приема сигналов ФМ-4 в каналах с памятью.

- Анализ характеристик слепого оценивания параметров канала связи и помехоустойчивости алгоритма демодуляции сигналов ФМ-4 в канале с памятью методом компьютерного моделирования.

Методы исследования.

Основные теоретические и экспериментальные исследования диссертационной работы выполнены с применением методов теории вероятностей, математической статистики и вычислительных методов, реализованных в пакете MathLab.

Научная новизна работы.

- Предложен метод слепого оценивания характеристик канала связи с памятью при разнесенном приеме сигналов ФМ-4.

- Разработан алгоритм демодуляции сигналов ФМ-4 в каналах с памятью при разнесенном приеме.

- Предложен метод анализа помехоустойчивости когерентного демодулятора сигналов ФМ-4 в канале с памятью

Основные положения, выносимые на защиту.

- Алгоритм слепого оценивания импульсной характеристики векторного канала связи с памятью на основе метода максимального правдоподобия.

- Рекуррентный алгоритм демодуляции сигналов ФМ-4 в канале с памятью, использующий оценки параметров канала связи.

- Метод анализ и результаты анализа помехоустойчивости приема сигналов ФМ-4 в канале с памятью.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы при разработке и создании комплексов радиоконтроля в части анализа сигналов декаметрового диапазона, использующих фазовую модуляцию совместно с методами ППРЧ.

Методы оценивания параметров канала связи и алгоритм демодуляции сигналов фазовой модуляции целесообразно использовать при разработке систем связи с последовательным способом передачи и многопозиционными сигналами.

Результаты диссертационной работы внедрены во ФГУП «НИИ Вектор» (г. С.Петербург) при реализации НИР «Адрес-РУ-ВМ» и ОКР «Равнодушие», что подтверждено актом внедрения, приведенном в приложении.

Апробация работы.

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на XIV и XV Российской научно-технической конференции ПГУТИ (Самара 2007г., 2008г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (МГТУ им. Баумана, 2007г.), на VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Уфа, 2007г.), на X Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2008г.), на LXIII-й Научной сессии, посвященной Дню Радио (г.Москва, 2008 г.) и представлены на мультиконференции SCI 2007, Orlando, Florida, USA.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 11 опубликованных и 2 рукописных работах. Публикации включают 1 статью в журнале из перечня ВАК, 4 тезиса, 6 публикаций трудов и докладов на международных научных конференциях.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 122 страницы машинописного текста, 34 рисунка, 8 таблиц. Список литературы включает 73 наименования.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Агеев, Александр Владимирович

4.4. Выводы

В данном разделе описан компьютерный эксперимент по моделированию работы демодулятора сигналов ФМ-4 в канале с памятью на основе алгоритма

ПЦППР, использующего слепое оценивание по методу максимального правдоподобия при разнесенном, приеме.

Для получения оценок максимального правдоподобия, полученных- в векторном канале (разнесенный прием), предложен метод вычисления скаляра, с точностью до которого могут быть реализованы полученные оценки.

Проведено моделирование алгоритма максимального правдоподобия для слепого оценивания импульсной характеристики векторного канала с памятью с использованием предложенного метода оценивания скалярного параметра слепого оценивания. Показано, что относительная погрешность оценивания в 20% достигается при отношении сигнал/шум примерно равном 100.

Моделированием определены характеристики помехоустойчивости алгоритма ПЦППР в канале с постоянными и известными параметрами и аддитивной гауссовской помехой при одиночном и разнесенном' приеме. Выявлено удовлетворительное совпадение результатов компьютерного эксперимента'и аналитического определения вероятности ошибочного приема символа. Так, при одиночном приеме и отношении сигнал/шум равном 5 частость ошибочного приема символа составляет 0,01.

Проведен комплексный эксперимент по моделированию' работы демодулятора в векторном канале с постоянными и неизвестными параметрами, работающего по алгоритму ПЦППР. Показано, что при отношении сигнал/шум =50 достигается частость ошибки, равная 0,08. Данный результат говорит о приемлемости для практического использования рассмотренного метода слепого оценивания совместно с алгоритмом ПЦППР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Здесь сформулируем основные результаты работы:

1. Показана возможность решения задачи идентификации вида модуляции и оценки модуляционных параметров радиосигналов с неизвестной структурой в стохастических каналах связи. Описаны основные виды цифровой модуляции в системах связи. Для видов модуляции без памяти рассмотрены алгоритмы классификации по сигнальным созвездиям и сигнальным реализациям. Показана возможность идентификации модуляции с «прыгающей» частотой (ППРЧ).

2. Показано, что задача приема дискретных сообщений при пакетной передаче метом ППРЧ в канале с памятью при априорной неизвестности характеристик используемого канала может быть решена с использованием методов слепой идентификации, при этом использование разнесенного приема гарантирует быструю сходимость процедуры оценивания.

Рассмотрена структурная схема системы передачи дискретных сообщений при использовании пространственно-временных моделей сигналов и используемого канала для одиночного и разнесенного приема. Дано описание алгоритма «прием в целом с поэлементным принятием решения» (ПЦППР), с использованием которого целесообразно проводить на основе разнесенного приема когерентную обработку (демодуляцию) принимаемого сигнала. Разработана структурная схема демодулятора сигналов ФМ-4 на основе квадратурной обработки сигналов разнесенного приема при использовании оценок импульсной характеристики канала связи с памятью, полученных методом слепой идентификации.

Для канала с медленно меняющимися параметрами предложен алгоритм дополнительной фильтрации отсчетов импульсной характеристики, повышающий помехоустойчивость процедуры оценивания.

3. Приведен метод оценки помехоустойчивости демодуляции по алгоритму ПЦППР в канале с памятью на основе использования верхней аддитивной границы вероятности ошибки на символ (и на бит). Показано, что алгоритм ПЦППР в канале с памятью реализует помехоустойчивость близкую к помехоустойчивости оптимального алгоритма (алгоритма Витерби). Показано, что в условиях идеального измерения импульсной характеристики помехоустойчивость алгоритма ПЦППР для системы ФМ-4 мало отличается от помехоустойчивости «приемника Котельникова». Так, например, энергетический проигрыш анализируемой системы на уровне вероятности ошибки 5-Ю-3 составляет 1,25дБ.

Дан анализ помехоустойчивости алгоритма ПЦППР с ФМ-4 в замирающем двухлучевом канале с коррелированными замираниями. Показано, что в канале с общими рэлеевскими замираниями (однолучевой канал) система ФМ-4 неработоспособна. Прием в канале с некоррелированными замираниями обладает более высокой помехоустойчивостью - на уровне вероятности ошибки 10~2 энергетический проигрыш в канале с коррелированными замираниями составляет 1,07дБ.

4. Рассмотрен алгоритм слепого оценивания импульсной характеристики векторного канала (разнесенный прием) по методу максимального правдоподобия для канала с памятью. Определена структура матриц, формирующих двухэтапную процедуру оценивания вектора отсчетов1 импульсной характеристики канала. Показано, что в вычислительном отношении главная роль отводится процедуре вычисления собственных значений и собственных векторов матрицы, а получаемые оценки отличаются от истинных значений отсчетов импульсной характеристики скалярным множителем. Разработана процедура оценивания неизвестного скалярного множителя.

5. Проведено моделирование работы демодулятора сигналов ФМ-4 в канале с памятью1 на основе алгоритма ПЦППР, использующего слепое оценивание по методу максимального правдоподобия при разнесенном приеме.

Проведено моделирование алгоритма максимального правдоподобия для слепого оценивания импульсной характеристики векторного канала с памятью с использованием предложенного метода оценивания скалярного параметра слепого оценивания. Показано, что относительная погрешность оценивания в 20% достигается при отношении сигнал/шум, примерно равном 100.

Проведен комплексный эксперимент по моделированию работы демодулятора в векторном канале с постоянными и неизвестными параметрами, работающего по алгоритму ПЦППР. Показано, что при отношении сигнал/шум =50 достигается частость ошибки, равная 0,08.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Агеев, Александр Владимирович, 2009 год

1. Системы радиосвязи с расширением спектра сигналов (аналитический обзор) / В.И. Борисов, В.М. Зинчук, В.И. Николаев и др. // Теория и техника радиосвязи, 1998. — Вып. 1. — с. 18-48.

2. Агеев А.В., Карташевский В.Г., Горячкин О.В. и др. Отчет по НИР «Адрес-РУ», выполняемой по Гос. Контракту №09/05 от 30.03.2005 в соответствии с Гос. оборонным заказом (Постановление правительства РФ №876-48 от 30.12.04), 2007.

3. Исследование инженерных путей создания средств обнаружения и технического анализа источников сложных сигналов военных систем КВ-УКВ-СВЧ диапазонов для радиоконтроля наземных, надводных и воздушных объектов», Самара.

4. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты / Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е.; Под ред. чл.-корр. РАН В.И. Борисова.- М.: РадиоСофт, 2008. 512с.

5. Torrieri D.J. Principles of Secure Communication Systems. Dedham, MA.: Artech House Inc.,1985.-286p.

6. Помехоустойчивость алгоритмов демодуляции сигналов с внутрибитовой ППРЧ / В.И. Борисов, Ю В.М. Зинчук, Н.П. Мухин, Н.А. Рудиков // Радиотехника и электроника, 1993. т.38. - Вып.7. - с. 1153-1178.

7. Torrieri D.J. Fundamental Limitations on Repeater Jamming of Frequency-Hopping Communications // IEEE Journal on Selected Areas in Commun., May. vol.7, 1997- №5. - p.569-575.

8. Прокис Дж. Цифровая связь: Пер. с англ. / Под ред.Д. Д. Кловского. М.: Радио и связь, 2000. - 800 е.: ил.

9. Феер К. Беспроводная цифровая связь /Пер. с англ ./ Под ред. В.И. Журавлева.- М.: Радио и связь, 2000.- 520с.

10. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Прием кодированных сигналов в каналах с памятью. М.: Радио и связь, 2004. — 239с.

11. Теория электрической связи // под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 1998. -432с.

12. Форни Г.Д. Алгоритм Витерби. ТИИЭР, 1973, №3, с.12-25.

13. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: «Радио и связь», 1989, 656с.

14. Никиас Х.Л., Рагу вер М.Р. Биспектральное оценивание применительно к цифровой обработке сигналов.// ТИИЭР, 1987,т.75, №7, с.5-30.

15. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: «Сов. радио», 1977,432с.

16. Tong L., Perreau S. Multichannel blind identification: From subspace to maximum likelihood methods // Proceedings of IEEE, vol. 86, No. 10, Oct. 1998, pp.1951-1968.16.