Комбинированная обработка шумоподобных сигналов в сверхширокополосных каналах связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Чигринец, Владислав Александрович

• Чигринец, Владислав Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чигринец, Владислав Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ШУМОПОДОБНЫЕ СИГНАЛЫ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

ИНФОРМАЦИИ.

§ 1.1. Современные системы передачи информации.

§ 1.2. Оптимальный прием широкополосных сигналов.

§ 1.2.1. Достоинства сверхширокополосных каналов связи.

§ 1.2.2. Методы приема сигналов с расширенным спектром.

§ 1.2.3. Помехоустойчивость систем передачи сигналов с расширенным спектром.

§ 1.2.4. Обнаружение ШПС при неизвестном законе их формирования.

§ 1.3. Применение комбинированных методов приема шумоподобных сигналов.

§ 1.4. Приборы функциональной электроники в устройствах обработки информации.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ

КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ.

§ 2.1. Квазикогерентные методы приема ФМ сигналов.

§ 2.2. Влияние коэффициента расширения спектра комбинированного сигнала на параметры его обнаружения.

§ 2.3. Влияние фазовых ошибок на прием сложных ФКМ сигналов

§ 2.4. Влияние вторичных эффектов функциональных элементов на прием ШПС.

ГЛАВА 3. ИНВАРИАНТНЫЕ МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И

СИНХРОНИЗАЦИИ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ.

§ 3.1. Статистическая оценка параметров сигналов.

§ 3.2. Последетекторное обнаружение сложных сигналов.

§ 3.3. Квазиоптимальный алгоритм последетекторного обнаружения сложных сигналов.

§ 3.3.1. Квазиоптимальный алгоритм оценки шумового порога.

§ 3.3.2. Вероятностные характеристики алгоритма инвариантного обнаружения ШПС.

§ 3.3.3. Анализ вероятности ошибки первого рода квазиоптимального обнаружителя сигналов.

§ 3.3.4. Анализ вероятности ошибки второго рода квазиоптимального обнаружителя сигналов.

§ 3.3.5. Критерий минимума суммы условных вероятностей ошибок.

§ 3.4. Реализация алгоритма последетекторного обнаружения

ГЛАВА 4. КОДИРОВАНИЕ СЛУЧАЙНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ

В СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ.

§ 4.1. Общее описание метода кодирования-декодирования сверхширокополосным случайным кодом.

§ 4.2. Энергетические характеристики декодера сверхширокополосных сигналов.

§ 4.3. Статистический анализ приемника сверхширокополосных сигналов.

§ 4.4. Множественный доступ. Ортогональное уплотнение с частотным разделением.

§ 4.5. Применение сверхширокополосного кодирования в системах с низкой вероятностью перехвата.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комбинированная обработка шумоподобных сигналов в сверхширокополосных каналах связи»

Сложные сигналы находят все более широкое применение в радиотехнических системах. В литературе такие сигналы называют также широкополосными или сигналами с рассеянным спектром. Особенностью их использования является то, что занимаемая ими полоса частот АР намного превосходит информационную скорость Л. Это значит, что показатель расширения спектра Вс = АЕ/К для широкополосных сигналов намного больше единицы. В радиолокации вместо показателя расширения спектра используют близкое по смыслу понятие базы сигнала Вс которую определяют как произведение полосы частот А Г излучаемого символа на его длительность Т. В отличие от простых сигналов, для которых база Вс ~ база сложных сигналов может быть равна десяткам и даже сотням тысяч. Благодаря большой избыточности широкополосные сигналы используют для широкого круга задач: подавление вредного влияния естественных и преднамеренных помех; кодовое разделение каналов в системах множественного доступа, в которых абоненты работают в общей полосе частот;

разделение лучей при многолучевом распространении сигнала, а так же для «изучения» их статистических характеристик в адаптивных каналах связи; обеспечение скрытности передачи информации путем снижения спектральной плотности излучаемой мощности и возможности передачи сигнала на уровне фонового излучения, что затрудняет не только детектирование подобных сигналов сторонними наблюдателями, но и скрывает факт наличия самого излучения. Поэтому такие сигналы называют сигналами с низкой вероятностью перехвата (НВП); повторное использование частотного ресурса за счет электромагнитной совместимости с традиционными системами связи, использующими простые сигналы; получение точных дальностей и перемещений при измерениях в радиолокации и навигации.

Из-за своих корреляционных свойств и псевдослучайности, которая делает сложные сигналы похожими на случайный шум, они получили также название шумоподобных сигналов (ШПС). Шумоподобные сигналы применяются в радиосвязи уже более 50 лет, но до 60-х гг. системы на их основе были доступны только военным структурам, а любая информация о создававшихся системах основательно засекречивалась. К концу 70-х практически была сформирована базирующаяся на их основе система связи с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access, CDMA) (в те годы ее главным недостатком считалась сложность технической реализации), а в середине 90-х годов появились первые коммерческие системы.

Быстрому расширению области применения мобильных систем связи способствовали сравнительно недавние достижения полупроводниковой техники. В этом отношении одним из важных новых факторов служит наличие надежных экономичных полупроводниковых приборов, хорошо работающих на высоких частотах. Существенную роль сыграла и разработка недорогих экономичных логических СБИС, позволивших перейти от аналогового способа обработки широкополосных сигналов к цифровому и исключить такие недостатки аналогового способа как невысокие стабильность и линейность трактов, не идентичность каналов, трудности фильтрации. Использование современной элементной базы (цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) — DSP) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС - programmable logic devices (PLD)) в демодуляторах при реализации алгоритмов ЦОС позволило снизить массу, габариты и цену устройств, существенно повысить их надёжность. Несмотря на впечатляющие достижения полупроводниковой техники, в настоящее время реализованы системы беспроводной связи CdmaOne и CDMA2000 и UMTS с полосами каналов 1,25 МГц и 5 МГц, а рекомендуемые для освоения полосы частот в коммерческих системах связи нового поколения не превышают 45 МГц. Как показывает практика, разработка недорогих экономичных цифровых сигнальных процессоров для обработки сигналов с базой 64000 и полосой до 50 МГц представляет собой серьезную проблему обеспечения их бесперебойной работы при требуемом быстродействии и сталкивается с принципиальными трудностями отладки и анализа проектных решений. Существующие в настоящее время системы связи с ШПС, общая рабочая полоса которых превышает 64 МГц, не являются системами общего пользования и, как правило, их эксплуатация проходит в рамках экспериментальных моделей и исследовательских полигонов.

Тем не менее, стратегическое направление развития средств связи как общего, так и специального применения связано с разработкой методов и средств обработки сигналов с шириной спектра десятки - сотни мегагерц. Так, по рекомендации ITU, начиная с систем связи поколения 3G, ширина спектра несущего сигнала должна выбираться кратной 5 МГц.

В значительной степени решить проблему повышения полосы обрабатываемых сигналов позволяют такие устройства функциональной электроники, как устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Акустоэлекгронные радиокомпоненты (АРК) по сравнению с их известными функциональными аналогами обладают особой спецификой, заключающейся в том, что традиционные схемотехнические способы получения заданных параметров сменяются при переходе к АРК способами топологическими. По существу, в топологии (геометрии) структуры, расположенной на поверхности звукопровода, "записаны" все электрические параметры АРК (с учетом электрофизических параметров звукопровода). Формирование сигналов и их обработка в приемном устройстве акустоэлектронными компонентами осуществляется непосредственно на радиочастоте, при этом отсутствуют такие традиционные узлы, как задающие генераторы и модуляторы. Малая площадь, занимаемая кодирующей топологией на поверхности пьезоэлектрика, позволяет на одной подложке реализовать несколько каналов формирования и обработки ШПС. Устройства на ПАВ позволяют реализовывать когерентные согласованные фильтры для таких форматов радиосигналов как фазоманипулированные (ФМн), частотно-манипулированные (ЧМн), дискретно-временные (ДВ), а так же смешанные форматы сигналов, являющиеся комбинацией выше названых.

При термостабилизации подложек из пьезокристаллов максимальная длительность сигнала может составлять несколько десятков микросекунд и ограничивается технологической точностью изготовления топологии на больших расстояниях (несколько сантиметров). Ширина спектра ШПС может составлять до 50 % от центральной частоты при центральной частоте свыше гигагерца. Негативным фактором при увеличении ширины спектра является увеличение потерь на преобразование электрического сигнала в ПАВ. Современная технология позволяет создавать устройства на ПАВ, способных работать на частотах вплоть до 3 ГГц [81, 82]. Исходя из перечисленных выше ограничений на частотно-временной формат сигналов, реально, методами акустоэлектроники можно формировать и обрабатывать сигналы с базой до нескольких сотен. Применение сигналов с базой более 500 связано с решением сложных технических и технологических проблем и может быть экономически не оправдано.

Поскольку аналоговые устройства не обладают достаточной линейностью при обработке сигналов большой длительности и в большей степени подвержены влияниям дестабилизирующих внешних факторов чем цифровая техника, а цифровая техника, в свою очередь, значительно уступает по быстродействию аналоговой технике, то возможен компромиссный вариант построения систем связи с сверхширокополосными сигналами большой длительности — комбинированная обработка сигналов. Суть комбинированной обработки сигналов заключается в том, чтобы обработке подвергать не весь широкополосный сигнал большой длительности, а сформировать его из нескольких коротких широкополосных сигналов, длительность которых доступна для обработки аналоговыми когерентными согласованными фильтрами на ПАВ. После детектирования и оцифровки дальнейшую обработку сложного сигнала по видеочастоте производить средствами цифровой техники. Такой подход позволяет компенсировать недостатки аналоговых методов обработки сигналов цифровыми методами и является одним из основных путей преодоления трудностей, связанных с реализацией оптимальных правил обработки ШПС.

Такие неоптимальные (или квазиоптимальные) алгоритмы обработки обычно строятся так, чтобы, несколько ухудшая параметры обнаружения и различения сигналов на фоне помех, либо упростить устройство обработки и поиска, либо сократить время поиска, либо дать какие-либо другие преимущества по сравнению с оптимальным правилом. И если ухудшение параметров не велико, а преимущества, связанные с практической реализацией или функционированием системы, существенны, то применение квазиоптимальных алгоритмов оказывается выгодным. В данном случае применение комбинированной обработки сложных сигналов существенно снижает и без того жесткие требования к радиочастотным

ПАВ-фильтрам и сигнальным процессорам, позволяя тем самым практически неограниченно увеличивать базу составного сигнала (база результирующего сигнала равна произведению баз ПСП и чипового ШПС), а так же преодолеть трудности с реализацией смены кода на IlAB-фильтрах за счет ПСП-кодирования.

Применение согласованных фильтров не требует синхронизации опорной функции с входным сигналом для получения корреляционной функции, т.к. согласованные фильтры, в отличие от корреляторов, относятся к классу ЛИВ-систем (линейных инвариантных во времени). Однако, некогерентное накопление и декодирование сигналов требует взятие отсчетов в пиках главных лепестков автокорреляционной функции, что с точки зрения сложности построения системы обнаружения и синхронизации делает системы с согласованными фильтрами адекватными системам с корреляторами. Поэтому представляет особый интерес исследование квазиоптимальных беспоисковых цифровых систем последетекгорного обнаружения и синхронизации по информационной совокупности [22, 105].

В настоящее время известны реализации ряда систем сверхширокополосного зондирования, принцип действия которых основан на применении сверхкоротких, порядка 250 — 500 пс., импульсов [6, 70 — 74]. Мобильная реализация таких систем ограничивает радиус их действия 15 — 150 метрами. Одним из существенных факторов сдерживающих развитие таких систем является низкая энергетика сверхкоротких импульсов. Возможен альтернативный подход к вопросам построения сверхширокополосных систем с непрерывными сигналами, основной задачей которых является формирование и обработка сигнала со сверхнизкой спектральной плотности излучения и защита от обнаружения таких систем по полю [34, 35]. Актуальной проблемой является оценка эффективности алгоритмов декодирования сверхширокополосных непрерывных сигналов и выработка рекомендаций по адаптации таких систем к решению основного вопроса — обеспечения скрытности работы.

Целью работы является разработка квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов с расширенным спектром методом объединения сильных сторон аналоговой функциональной электроники и цифровой обработки сигналов, позволяющих на порядок увеличить полосу сложных сигналов, применяемых в современных системах связи при существенном упрощении реализации приемных устройств.

Основные задачи исследования.

Поставленная цель исследований требует решения следующих задач:

1. Получить аналитические выражения зависимости энергетической эффективности многоступенчатой комбинированной обработки, использующей взаимо- и автокорреляционные методы детектирования сложных сигналов, от коэффициента расширения спеюра для систем связи с низкой вероятностью перехвата.

2. Оценить степень влияния амплитудно-фазовых искажений сигнала, вызванных доплеровскими сдвигами частот и вторичными эффектами акустоэлектронных радиокомпонентов, на увеличение потерь обработки сложного сигнала при когерентном, автокорреляционном и комбинированном методах приема сложных сигналов.

3. Исследовать эффективность квазиоптимальных алгоритмов цифровой последетекторной обработки сигналов, учитывающих ограничения аппаратного ресурса по скорости исполнения квадратичных операций.

4. Разработать цифровой сигнальный процессор на основе СБИС программируемой логики и оценить эффективность аппаратных средств цифровой последетекторной обработки шумоподобных сигналов для работы систем связи в условиях априорной неопределенности интенсивности гауссовских шумов и многолучевого распространения сигнала.

5. Разработать имитационную модель сверхширокополосного канала связи, использующего методы квадратурного кодирования случайной последовательностью для формирования сигналов с сверхнизкой спектральной плотностью мощности излучения.

6. Методом статистических испытаний выполнить сравнительный анализ эффективности приема, использующего метод квадратичной петли, для декодирования сигналов с сверхнизкой спектральной плотностью мощности излучения.

Методы исследования.

Решение поставленных задач проводилось с использованием математического аппарата теории помехоустойчивого кодирования, теории вероятностей, статистической радиотехники и математической статистики. Теоретические результаты были подтверждены экспериментальными исследованиями, включающими проведение стендовых испытаний лабораторных макетов и имитационного моделирования с использованием ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Замена операции усреднения квадрата выборки на операцию усреднения модуля выборки входного сигнала схемы оценки порога принятия решения в алгоритме оптимального обнаружения детерминированных сигналов в каналах связи с априорной неопределенностью интенсивности аддитивных белых гауссовских шумов сохраняет инвариантность вероятности ложного обнаружения сигнала по отношению к изменению уровня шума.

2. Для когерентного детектора аппроксимация плотностей распределения вероятностей случайных процессов на входе решающего устройства модифицированного алгоритма обнаружения гауссовскими распределениями вероятностей позволяет получить плотную верхнюю границу суммарной вероятности ошибок первого и второго рода.

3. Вносимые энергетические потери метода квадратичной петли, примененного для сжатия спектра фазоманипулированного сигнала с рассеянным спектром, алгоритм формирования которого основан на балансной модуляции квадратурных составляющих несущей частоты случайной сверхширокополосной бинарной последовательностью и результатом ее перемножения с информационной бинарной последовательностью, не превышают 3 дБ относительно автокорреляционного метода приема для коэффициентов расширения спектра свыше 10 при вероятности ошибки не меньше 10"\

Достоверность результатов.

Достоверность численных результатов и полученных аналитических выражений, подтверждающих первое выносимое на защиту положение, обеспечивается их физической непротиворечивостью, подтверждается результатами компьютерного моделирования и лабораторных испытаний действующего макета приемника, реализующего модифицированный алгоритм обнаружения детерминированных сигналов в каналах связи с априорной неопределенностью интенсивности аддитивных белых гауссовских шумов.

Правомерность использования гауссовской аппроксимации случайных процессов (см. положение 2) следует из утверждений центральной предельной теоремы теории вероятностей и подтверждается результатами имитационного моделирования разработанных схем. Вывод аналитических выражений для оценки вероятности ошибки обнаружения сложного сигнала опирается на основные законы теории вероятностей и математической статистики, а также на результаты теоретических исследований таких авторов как Пестряков В.Б. (1973), Бакут П.А. (1984), Левин Б.Р. (1989) и др.

Достоверность результатов работы имитационных моделей сверхширокополосного канала связи (положение 3) базируется на полном соответствии численных значений тестовых испытаний функциональных узлов моделируемого канала теоретическим, определяющим зависимости вероятностей ошибки приема от энергетических параметров сигнала и шума. Качественный анализ вероятностных характеристик полностью согласуется с выводами и утверждениями, полученными ранее в работах других авторов (Варакин Л.Е., 1970; Борисов Ю.П., 1967; Левин Б.Р., 1989; Прокис Дж., 2000). Максимальный коэффициент расширения спектра моделируемого канала равен 100.

Точность численных значений оценки вероятностей приема составляет не менее двух значащих цифр после запятой, но не хуже 10"5.

Научная новизна. В ходе исследований впервые были получены следующие новые результаты:

1. На основе полученных аналитических выражений, позволяющих оценить помехоустойчивости методов приема сигналов с расширенным спектром с учетом влияния вторичных эффектов устройств функциональной электроники и доплеровских частотных расстроек канала связи с аддитивным белым гауссовским шумом, проведен сравнительный анализ по скрытности работы систем связи, использующих когерентные, автокорреляционные и комбинированные методы обработки сложных сигналов. Показаны границы эффективности применения каждого из указанных методов приема.

2. Впервые предложен и практически реализован квазиоптимальный алгоритм последетекторного обнаружения сигналов, не содержащий квадратичных операций обработки сигналов и фиксирующий вероятность ложного срабатывания системы синхронизации при априорной неопределенности интенсивности аддитивных гауссовских шумов. На основе гауссовской аппроксимации плотностей распределения случайных процессов на входе решающего устройства квазиоптимального алгоритма обнаружения сигнала выведены общие выражения для расчета суммарной вероятности ошибки обнаружения, позволяющие рассчитать оптимальный коэффициент порога.

3. Разработан и исследован методом статистических испытаний (Монте-Карло) алгоритм формирования сигнала с сверхнизкой спектральной плотностью излучаемой мощности, допускающий упрощенную процедуру сжатия его спектра методом квадратичной петли. Основу метода формирования сложного сигнала составляет модуляция информационной бинарной последовательности сверхширокополосным случайным кодом с последующей передачей случайной и результирующей последовательности на квадратурных составляющих несущей. Дана оценка эффективности применения предложенного алгоритма в многоканальных системах связи, а также в системах связи с низкой вероятностью перехвата.

Научная ценность.

В ходе работы получила дальнейшее развитие теория потенциальной помехоустойчивости систем связи с шумоподобными сигналами для каналов с аддитивным белым гауссовским шумом и доплеровским рассеянием. Результаты диссертационной работы позволяют сделать ряд обобщений для характеристик скрытности систем передачи информации, использующих автокорреляционные, взаимокорреляционные и комбинированные методы приема сигналов с расширенным спектром.

Практическая значимость.

Проведенные исследования и полученные аналитические выражения для оценки эффективности скрытности цифровой линии связи позволяют осуществлять практическую разработку систем связи с шумоподобными сигналами, характеризующихся полосой частот свыше 100 МГц и коэффициентом расширения спектра десятки тысяч. Предложенные алгоритмы многоступенчатой обработки сигналов с расширенным спектром позволяют на порядок увеличить полосу шумоподобных сигналов, применяемых в современных системах связи.

Разработанный квазиоптимальный алгоритм обнаружения сигнала в условиях априорной неопределенности интенсивности аддитивных гауссовских шумов, а также механизмы его аппаратной реализации могут с успехом применяться в системах синхронизации по информационной совокупности. Обладая низкими энергетическими потерями обработки сигнала, не более 3 дБ, данный алгоритм требует вдвое меньший ресурс аппаратной реализации по сравнению с оптимальным алгоритмом, не содержит квадратичных операций, снижающих быстродействие цифровых процессоров, не теряет эффективности в условиях многолучевого распространения сигнала.

Предложенный алгоритм расширения спектра сигнала модуляцией сверхширокополосной случайной последовательностью с квадратичным алгоритмом декодирования, не смотря на высокий уровень энергетических потерь обработки (10 дБ для коэффициента расширения спектра более 100 при вероятности ошибки декодирования символа менее 10"3), обладает свойством беспоискового декодирования сложного сигнала и безадаптивного выбеливания узкополосных помех, и может использоваться в системах связи, для которых применение иных алгоритмов расширения спектра (получения сверхнизкой спектральной плотности мощности излучения) не возможно из соображений сложности аппаратной реализации или повышенного энергопотребления.

Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для использования в организациях ГК ФГУП НПК «Красная Заря» (г. Санкт-Петербург) и ГМНТЦ «Наука» (г. Москва) для разработки аппаратуры повышенной степени скрытности системы цифровой сверхширокополосной связи нового поколения.

Реализация работы.

Результаты работы реализованы при разработке радиомодемов широкополосной цифровой линии связи с шумоподобными сигналами. Радиомодемы прошли серию успешных эксплутационных испытаний в составе стендов ГК ФГУП НГЖ «Красная Заря» (Санкт-Петербург, 2000 г.), совместных эксплуатационных испытаний лаб. «Радиооптики» НИЧ ТУ СУР (г. Томск) и ГМНТЦ «Наука» (г. Москва, 2002 г.).

По результатам диссертационной работы был разработан сигнальный процессор, реализованный в виде действующего цифрового модуля на микросхеме протраммируемой логики и обеспечивающий прием сложных сигналов в условиях априорной неопределенности интенсивности шумов при многолучевом распространении сигнала. Суммарный коэффициент расширения спектра системы синхронизации действующей модели радиомодема на ШПС составил 1984 при ширине полосы частот сложного сигнала 64 МГц.

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. Это касается:

- результатов сравнительного анализа по скрытности передачи информации для систем, использующих комбинированный, взаимокорреляционный и автокорреляционный методы приема, включая влияние амплитудно-фазовых искажений на величину потерь обработки сложных сигналов;

- разработки, теоретического анализа и практической реализации последетекторного алгоритма синхронизации сложных сигналов по информационной совокупности;

- разработки и исследования алгоритмов сверхширокополосного кодирования сигналов для организации систем связи с сверхнизкой спектральной плотностью мощности излучения.

В экспериментальных исследованиях автор принимал участие в постановке задач, обработке, анализе и интерпретации полученных данных.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических семинаров и конференций, среди них: Всероссийская научнотехническая конференция «Информационные технологии в электронике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2000); 5-я Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2000); 45-й Интернациональный научный коллоквиум (Ильменау, Германия, 2000); Межрегиональная научно-техническая конференция «Научная сессия ТУ СУР» (Томск, 2002); 4-я международная научно-техническая конференция молодых специалистов стран СНГ «Техника и технология связи» (Алматы, 2002); 2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Авионика 2003» (Томск, 2003); IX международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003); Всероссийская научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2003). Основные результаты диссертации опубликованы в работах [34 - 36, 54 - 56, 99-101, 104, 105, 109].

Работа состоит из четырех глав.

Первая глава является обзорной.

Вторая глава посвящена анализу помехоустойчивости сверхширокополосного приемника шумоподобных сигналов в приложении к скрытности передачи информации, характеризующейся обеспечением требуемой вероятности перехвата информации за заданный временной интервал. Рассмотрены задачи оценки потерь комбинированной обработки шумоподобных сигналов для взаимокорреляционного и автокорреляционного методов детектирования при различных соотношениях когерентно и некогерентно накапливаемой части сигнала при больших коэффициентах расширения спектра. Представлены оценки потерь обработки сложных фазокодоманипулированных сигналов для фазовых искажений, вызванных доплеровскими сдвигами частоты и внешними дестабилизирующими факторами устройств функциональной электроники.

В третьей главе изложен анализ инвариантных методов обнаружения и синхронизации ШПС в условиях априорной неопределенности уровня аддитивного белого гауссовского шума. Рассмотрены алгоритмы квазиоптимальных обнаружителей ШПС, дана оценка их вероятностных характеристик. Представлены результаты моделирования работы квазиоптимальных обнаружителей сложных сигналов и даны точностные характеристики аппроксимации реальных распределений гауссовскими распределениями для двух классов детекторов: автокорреляционного и взаимокорреляционного. Предложена схема квазиоптимального обнаружителя сложных сигналов, позволяющая с высокой степенью точности оценивать шумовую составляющую входного процесса, а также представлены результаты работы ее реализации в виде радиомодема на ШПС.

В четвертой главе исследованы параметры помехоустойчивости сверхширокополосного приемника шумоподобных сигналов, использующего принцип автокорреляционного преобразования спектра входного сигнала для декодирования широкополосных сигналов. Рассмотрена задача организации многоканальной передачи информации широкополосной системы связи, а также метод формирования сложного сигнала для построения систем с низкой вероятностью перехвата. Представлены результаты моделирования работы сверхширокополосных приемников сложных сигналов, дан их временной и спектральный анализ. Получены численные характеристики помехоустойчивости систем с квадратичным и автокорреляционным декодером.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Чигринец, Владислав Александрович

174 Выводы

Проведенные исследования показали принципиальную возможность построения сверхпшрокополосных систем связи, полоса обработки которых может быть ограничена лишь техническими возможностями аналоговой техники. Алгоритм кодирования информации вплотную приближен к идее реализации шумоподобного спектра передаваемого сообщения, система обладает повышенной скрытностью передачи за счет снижения спектральной плотности мощности излучения.

Гибкость представленных алгоритмов формирования и обработки сверхширокополосных сигналов заключается в возможности перераспределения аппаратных и программных ресурсов технической реализации.

Негативным фактором упрощения алгоритма приема сверхширокополосных сигналов является повышение уровня энергетических потерь на их обработку. Для коэффициентов расширения спектра сигнала более 100 потери обработки составляют порядка 10 дБ по отношению к когерентному методу приема и около 2 дБ по отношению к автокорреляционному методу приема широкополосных сигналов.

175

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными результатами настоящей работы являются:

1. Получены общие выражения для расчета потерь на обработку комбинированных методов приема, сочетающих в себе когерентный прием коротких сверхширокополосных сигналов согласованными фильтрами на ПАВ и последетекгорное накопление энергии сигнала цифровыми сигнальными процессорами.

2. Проведен сравнительный анализ скрытности работы систем, использующих автокорреляционный, взаимокорреляционный и комбинированный методы декодирования сложных сигналов. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что увеличение скрытности систем связи для комбинированных методов приема при заданном качестве связи и заданной достоверности обнаружения системы сторонним наблюдателем возможно лишь за счет увеличения коэффициента расширения спектра сигнала, обрабатываемого в когерентных согласованных фильтрах.

3. Оценено влияние фазовых искажений фазокодоманипулированных сигналов на величину потерь обработки для различных методов приема сложных сигналов при увеличении коэффициентов расширения спектра до несколько тысяч. Показано, что комбинированные методы обработки сложных сигналов при больших регулярных фазовых искажениях, вызванных температурной нестабильностью функциональных узлов и доплеровскими сдвигами частот, обеспечивают лучшее качество приема, чем когерентные методы приема.

4. Представлен статистический анализ оптимальных и квазиоптимальных последетекгорных обнаружителей сигналов, работающих в условиях априорной неопределенности интенсивности аддитивных гауссовских шумов. Показано, что гауссовская аппроксимация плотностей распределения случайных процессов на выходе взаимокорреляционного детектора обладает хорошим приближением для расчета вероятностных характеристик последетекгорных схем обнаружения и синхронизации сложных сигналов.

5. Для каналов связи с априорной неопределенностью интенсивности гауссовских шумов показано, что энергетические потери обработки сложных сигналов квазиоптимальным алгоритмом при линейном детекторе составляют 6 дБ, при автокорреляционном детекторе — не более 3 дБ. Точное вычисление шумового порога квазиоптимальным обнаружителем возможно без дополнительных аппаратурных затрат, что, при автокорреляционном методе детектирования, позволяет компенсировать потери в 3 дБ и приблизиться к характеристике обнаружения оптимального приемника.

6. Представлены результаты экспериментальной реализации цифровых алгоритмов последетекгорного обнаружения. Показано, что возможно построение системы синхронизации с вероятностью суммарной ошибки первого и второго рода (критерий Неймана-Пирсона) не более 10"5 при отношении сигнал/шум в пиках автокорреляционных функций не более 3 дБ для коэффициента расширения спектра последетекторной обработки сигнала Ва = 64-м (автокорреляционный детектор).

7. Предложены оригинальные алгоритмы формирования и квазиоптимальной обработки сверхширокополосных ФКМ радиосигналов, использующие методы квадратичной петли и ОФМ-декодера для организации систем связи со сверхнизкой плотностью мощности излучения. Проведен их вероятностный анализ методом статистических испытаний.

177

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чигринец, Владислав Александрович, 2004 год

1. Forschungsverbund Medientechnik Südwest. Projektbereich II // URL: http://wwwjhe.uni-karlsruhe.de/forschung/fms/p ii l.htm.

2. An Assessment of the Viability of Accommodating Advanced Mobile Wireless (3G) Systems in the 1710-1770 MHz and 2110-2170 MHz Bands. NTIA // URL: http://www.fcc.gov/3G/3Gva072202.pdf

3. Эбраим Э. CDMA выходит иа передний край беспроводной связи // Сети, 1998, №5, С. 62 63.

4. Крейнес А. Полигон для W-CDMA // Сети, 1998, №6, сс 58 59.

5. CDMA: достоинства и недостатки // Сети, 1998, №12.

6. Wireless communications: past events and a future perspective./ Theodore S. Rappaport, A.Annamalai, R.M. Buehrer and William H. Tranter // IEEE Communications Magazine, may 2002, pp. 148 161.

7. Орлов С. Технология CDMA — особенности и преимущества // Chip News, 2000, №4, С. 18 22.

8. Sauer-Greff W. Drahtloser ATM-Zugang. Uebertragungstechnik. Kaiserslautern: Universitaet, 1998.

9. Семенов Ю.А. Сети Интернет. Архитектура и протоколы. М.: Блик плюс, 1998.-424 с.

10. Лагутенко О.И. Модемы. Справочник пользователя. СПб.: Лань., 1997. - 368 с.

11. П.Кулаков Ю.А., Луцкий Г.М. Локальные сети. К.: Юниор, 1998. - 336 с.

12. Weber Т. CDMA Mobilfiinksysteme. Skript. Kaiserslautern: Universität // URL: http://www-user.rhrk.uni-kl.de/~tweber/cdma/skript.pdf

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

14. Wireless and related network standards and organizations. Intersil // URL: http://www.intersil.com/design/prism/WirelessNetworkStandards.asp

15. Pearson B. Complementary Code Keying Made Simple. AN9850.2, 2001 // URL: http://www.clemson.edu/sure/2002/paulyang/an9850.pdf

16. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970. - 376 с.

17. Сергеев С. Цифровой транкинг: Nokia TETRA // Сети, 1998, №6, С. 21 26.

18. Борисов Ю.П., Пеиии П.И. Основы многоканальной передачи информации. -М.: Связь, 1967. 436 с.

19. Митюгов В.В. Физические основы теории информации. М.: Сов. радио, 1976.

20. Г. Ван Трис. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том И, Теория нелинейной модуляции. Нью-Йорк, 1971. Пер. с англ., под ред. проф. В.Т. Горяинова. М.: Сов. радио, 1975. - 344 с.

21. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. М.: Госэнергоиздат, 1960. - 664 с.

22. Акимов П.С., Бакут П.А., Богданович В.А. Теория обнаружения сигналов. М.: Радио и связь, 1984. - 440 с.

23. Френке Л. Теория сигналов. М.: Сов. радио, 1974. - 344 с.

24. Креммер ИЛ., Владимиров В.И., Карпухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. Под ред. Кремера ИЛ. -М.: Сов. радио, 1972. 480 с.

25. Пестряков В.Б., Афанасьев В.П., Гурвиц В.Л. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. М.: Сов. радио, 1973. - 424 с.

26. Окунев Ю.Б., Яковлев Л.А. Широкополосные системы связи с составными сигналами. Под ред. A.M. Заездного. -М.: Связь, 1968. 168 с.

27. Амиантов И.Н. Избранные вопросы статистической теории связи. М.: Сов. радио, 1971.-416 с.

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

29. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. М.: Сов. радио, 1979.

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

31. Оганов Т.А. Помехоустойчивость инвариантного приема импульсных сигналов. М.: Радио и связь, 1984. - 176 с.

32. Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. М.: Высш. шк., 1990. - 496 с.

33. Милстайн Л.Б. Методы подавления помех в системах радиосвязи с широкополосными сигналами // ТИИЭР, 1988, т. 76, №6, С. 19 36.

34. Tschigrinets Wl. Mehrstufige Kodierung des Signals mit Zufallskode für Superbreitband-kommunikation // 45. Internationale Wissenschaftliche Kolloquium, TU-Ilmenau, Germany, 04.-06. Oktober 2000, pp. 895 900.

35. Зб.Чигринец В.А., Сидоренко В.Ю., Демидов АЛ., Дубченко А.Ю. Реализация радиомодема на ПЛИС Альтера для каналов связи CDMA // Труды межрегиональной научно-технической конференция «Научная сессия ТУСУР». Томск, Россия, май 2002, т. 1, С. 112 114.

36. Сендерский В.А. Помехоустойчивость квазикогерентного приема ФМ сигналов. М.: Связь, 1974. - 56 с.

37. Электроника: Энциклопедический словарь./ Гл. ред. В.Г.Колесников, М.: Сов. энциклопедия, 1991. - 688 с.

38. Дамон Р., Мэлони В., Мак-Магон Д. Взаимодействие света с ультразвуком: явление и применение. В кн.: Физическая акустика. Т.7. Под ред. У. Мэзона. -М.: Мир, 1974.-426 с.

39. Корпел А. Акустооптика. Пер. с англ. М.: Мир, 1993. - 240 с.

40. Егоров Ю.В., Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акустооптические процессоры. М.: Радио и связь, 1991. - 160 с.

41. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени./ О.Б. Гусев, C.B. Кулаков, Б.П. Разживин, Д.В. Тигин; Под ред. C.B. Кулакова. М.: Радио и связь, 1989.-136 с.

42. Майоров В., Овчинников JL, Семенин М. Рассуждения о телевизионных камерах // Компьютерра, 1998, № 14, С. 46 53.

43. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - (Физика полупроводников и полупроводниковых приборов). - 320 с.

44. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешек. -М.: Мир, 1990. 584 с.

45. Дмитриев В.В., Акпамбетов В.Б., Бронникова Е.Г. и др., Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов: Справ, пособие. М.: Радио и связь, 1985. - 176 с.

46. Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984. - 272 с.

47. Рупкус С., Эйдукас Д. Селективные акустоэлекгронные устройства. Каунас: Технология, 1991. - 164 с.

48. Каринский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М.: Сов. радио, 1975. - 176 с.

49. Муратов Е.С. Синтез согласованных фильтров на поверхностных акустических волнах для широкобазовых 4M сигналов // Техника радиосвязи, 1983, Вып.1, С. 89 106.

50. Речицкий В.И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984. - 112 с.

51. Бауск Е.В., Яковкин И.Б. ПАВ-фильтры с малым временем задержки // Радиотехника, 1988, №12, С. 16 17.

52. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. - 416 с.

53. Чигринец В .А., Козлов В.Г. Радиомодем сверхширокополосного канала связи // Труды XXXIII Международной студенческой конференции, Новосибирск, Россия, 1995, С. 45 46.

54. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1978. 848 с.

55. Смирнов Н.И., Сизов В.И., Петров А.Р. Формирование многочастотных квазикогерентных фазоманипулированных сложных сигналов с использованием приборов на ПАВ // Радиотехника, 1990, №11, С. 10 14.

56. Турин Дж.Л. Введение в широкополосные методы борьбы с многолучевостью распространения радиосигналов и их применение в городских системах цифровой связи // ТИИЭР, 1980, т. 68, №3, С. 30 60.

57. Кокс Д.Ч. Универсальные цифровые переносные средства радиосвязи // ТИИЭР, 1987, т.75, №4, С. 4 55.

58. Ламекин В.Ф. Сотовая связь. Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. 176 с.

59. Доровских А.В., Сикарев А.А. Сети связи с подвижными объектами. К.: Тэхника, 1989. -158 с.

60. Viterbi A.J. Spread spectrum communications: myths and realities // IEEE Communicatons Magazine, may 2002, pp. 34 41.

61. Katz R.H. Adaptazion and mobility in wireless information systems // IEEE Communicatons Magazine, may 2002, pp. 102 114.

62. Доровских A.B., Сикарев A.A. Сети связи с подвижными объектами. К.: Тэхника, 1989. -158 с.

63. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью./ В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон; Под ред. В.И. Борисова. М.: Радио и связь, 2003. - 640 с.

64. Невдяев Л. CDMA борьба с замираниями // Сети, 2000, №9, С. 22 27.

65. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов.радио, 1963.-576с.

66. Патент РФ № 2116700 от 27 июля 1998. Устройство связи./ Дегтярев Г.Ф., Демидов А.Я., Серебренников ЛЛ., Пуговкин А.В. и др.

67. Assessment of compatibility between ultra wideband (UWB) systems and global positioning system (GPS) receivers./ D.S. Anderson, E.F. Drocella, S. K. Jones, M. A. Settle. NTIA Special Publication- 01-45, 2001. 150 c.

68. Fontana R.J. Recent applications of ultra wideband radar and communications systems. Multispectral Solutions, Inc. Gaithersburg, 2000 // URL: http://www.multispectral.com/pdf/UWBApplications.pdf

69. Fontana R.J. Experimental results from an ultra wideband precision geolocation system. Multispectral Solutions, Inc. Gaithersburg, 2000 // URL: http://www.multispectral.com/pdf/UWBGeolocation.pdf

70. Быховский М.А. Круги памяти: очерки истории развития радиосвязи и вещания в XX столетии. М.: Информ.-техн. центр "Мобильные коммуникации", 2001. -223 с. - (Сер. изданий "История электросвязи и радиотехники"; Вып.1).

71. Голяницкий И.А., Годунов В.И. Многопозиционные системы оптимальной обработки негауссовых процессов. М.: Изд-во МАИ, 1997. - 624 с.

72. Архипкин В Л., Серегин Ю.В., Серегин А.Ю. и др. Анализ эффективности использования полосы частот системы связи с DS-SDMA // Труды II Международной конференция «DSPA'99», Москва, Россия, 22-24 сентября 1999, т.2, С. 60-68.

73. Архипкин В Л., Голяницкий И.А. B-CDMA: синтез и анализ систем фиксированной радиосвязи. М.: Эко-Трендз, 2002. - 200 с.

74. Архипкин В Л., Иванов П.В., Смольянинов В.М., Сунь Лунцзе. Оптимизация стационарных ортогональных систем CDMA в условиях многолучевого распространения // Электросвязь, 2002, №10.

75. A. Pohl. A Review of Wireless SAW Sensors // IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, march 2000, vol. 47, no. 2.

76. SAW Devices for Broadband Signal Processing in Mobile Communication Systems./ Clemens C. W. Ruppel, and Leonard Reindl. Siemens Corporate Research and Development, Munich, Germany, 2002.

77. А. Анго. Математика для электро- радиоинженеров. Пер. с фран. под общей ред. К.С. Шифрина. М: Наука, 1965. - 780 с.

78. Коваленко Е.С., Киселев О.Н., Шарыгин Г.С. Основы научных исследований. — Томск: Изд-во ТГУ, 1988. 192 с.

79. Bjarne Stroustrup. Die C-H--Programmiersprache. 4, aktualisierte und erweiterte Auflage. Deutsche Übersetzung der "Special Edition" von Nicolai Josuttus und Achim Loerke. München: Addison-Wesley Verlag, 2000. -X+1068 p.

80. Элджер Дж. С++: библиотека программиста СПб: Питер, 2001. - 320 с.

81. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./ Пер. с англ. М.: «Издательство Бином», СПб.: «Невский диалект», 2000. - 560 с.

82. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988. - 448 с.

83. Лосев В.В., Бродская Е.Б., Коржик В.И. Поиск и декодирование сложных дискретных сигналов.— М. Радио и связь, 1988. 224 с.

84. Малыгин И.В. Коды, коды, коды. // Техногюгии и средства связи, 1999,№3,С. 68-71.

85. Купер Дж., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем. -М.: Мир, 1989.-376 с.

86. Каратаева H.A. Радиотехнические цепи и сигналы. Часть I: Учебное пособие. -Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2001.-260 с.

87. Кудрявцев Л.Д. Курс математического анализа: Учеб. для студентов университетов и вузов. В 3 т., Т. 1. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1998.-712 с.

88. Хуторной С. Система Excalibur средство разработки SoC-решений от фирмы ALTERA // Chip News, 2001, № 6, С. 20 - 25.

89. Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е. Проектирование цифровых систем на VHDL. -СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 576 с.

90. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. М.: ИП РадиоСофт, 2001. - 224 с.

91. Бибило П.Н. Основы языка VHDL. М.: Солон-Р, 2000. - 200 с.

92. Малыгин И.В. Один из способов защиты широкополосных систем связи от мощных узкополосных помех // Телекоммуникации, 2001, № 11, С.

93. Чигринец В.А., Демидов АЛ., Дегтярев Г.Ф., Серебренников ЛЯ. Применение составных ШПС в защищенных системах связи // Сборник трудов II Всероссийской научно-технической конференции «Авионика 2003», Томск, Россия, апрель 2003, С. 266 271.

94. Боровков A.A. Теория вероятностей. М.: Наука, 1976. - 352 с.

95. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 640 с.

96. Чигринец В.А., Демидов А .Я., Сидоренко В.Ю. Применение комбинированных методов обработки ШПС в адаптивных каналах связи // Труды IX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, Россия, апрель 2003.

97. Чигринец В. А. Инвариантный прием сложных сигналов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», Томск, Россия, октябрь 2003, С. 71 75.

98. Amos Joel. Telecommunications and the IEEE Communications Society // IEEE Communications Magazine, may 2002, pp. 6 14, 162 - 167.

99. Пирс Дж. Символы, сигналы, шумы М.: Мир, 1967. - 336 с.

100. Implementing a W-CDMA System with Altera Devices & IP Functions. A-AN-129-01. Altera Corporation, 2000.

101. Демидов А.Я., Чигринец В.А. Квазиоптимальный прием шумоподобных сигналов // Ред. ж.Изв. высш. учеб.заведений. Электроника. Москва, 2004. - №4.