автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему: Исследование и разработка средств согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала КВ-диапазона с устройствами цифровой обработки
Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка средств согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала КВ-диапазона с устройствами цифровой обработки"
На правах рукописи
КОПЫСОВ Андрей Николаевич
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СОГЛАСОВАНИЯ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА ПРИЕМА ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА КВ-ДИАПАЗОНА С УСТРОЙСТВАМИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ
Специальность 05.12.13 "Системы, сети и устройства
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет" (ИжГТУ)
доктор технических наук, профессор И.З. Климов
доктор технических наук, профессор Е.П. Петров, г. Киров, кандидат технических наук, доцент В.Н. Цыркин, г. Ижевск.
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государствен-
ный университет аэрокосмического приборостроения
Защита состоится 19 декабря 2006 г. в 16 часов
на заседании диссертационного совета К 212.065.01 при ИжГТУ по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим высылать по указанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.
Автореферат разослан 17 ноября 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современные системы связи характеризуются тем, что в них все в большей степени используются цифровые методы формирования и обработки сигналов, что дает возможность применять сложные алгоритмы при одновременном снижении массогабаритных и энергетических затрат. Большинство каналов связи загружены сигналами с амплитудной, частотной или фазовой модуляцией либо их разновидностями. Дальнейшее увеличение числа радиостанций с простыми сигналами нарушает функционирование телекоммуникационных устройств, уже работающих в каналах связи. К снижению качества связи ведут фильтрующие свойства каналов: нелинейные искажения; многолучевость распространения; замирания сигнала, как быстрые, так медленные. Для снижения негативного влияния таких факторов и увеличения загрузки каналов связи разработаны и применяются средства связи, использующие: частотное и временное разделение сигналов, селекцию каналов по углу прихода, помехоустойчивое и корректирующее кодирование, а также другие методы, однако все они не дают кардинального решения проблемы.
Одним из перспективных способов повышения качества связи является использование телекоммуникационных систем со сложными сигналами, называемыми шумоподобными или широкополосными сигналами (далее ШПС). К отличиям таких систем связи относят использование сигналов с более широкой полосой, чем полоса спектра передаваемых сообщений, как правило, в десятки - сотни раз. Для широкополосных сигналов характерна передача сигналов с меньшей спектральной плотностью в сравнении с плотностью узкополосных помех в канале.
Вопросы оптимального приема сигналов подробно изучены в классических работах Р. Найквиста, К. Шеннона, Р. Хемминга, Дж. Прокиса, Э.Д. Ви-терби, Ван Триса, Дж. Дж. Стиффлера, В.А. Котельникова, A.A. Харкевича, В.И. Сифорова, Н.Т. Петровича, В.И. Тихонова, Б.Р. Левина, JI.M. Финка, а также Ю.Г. Сосулина, JT.C Гуткина, P.JI. Стратоновича, Ю.В. Гуляева, Д.Д. Кловского, Н.П. Хворостенко, Т. Кайлата, Дж.М. Возенкрафта, JI.E. Варакина, В.Б. Пестрякова, A.A. Сикарева, Г.И. Тузова, А.П. Трифонова и многих других отечественных и зарубежных авторов.
При низкой спектральной плотности широкополосных сигналов трудно выделить информационную составляющую на фоне мощных сосредоточенных помех, и без знания структуры сигнала его обнаружение практически невозможно. Таким образом, применение систем связи со сложными сигналами позволяет повысить уровень защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа и обеспечивает большую энергетическую скрытность в сравнении с системами связи на базе узкополосных сигналов.
Имеющаяся на сегодня элементная база позволяет создавать телекоммуникационные системы, использующие широкополосные сигналы, работающие в режиме реального времени. Однако применение систем связи с ШПС осложняется тем, что при реализации приемного устройства требуется выполнять ортогональные преобразования. Для выполнения этих процедур необходимо раз-
рабатывать систему согласования сигнала, прошедшего линейный тракт приемника с устройством квантования и дискретизации. Разрабатываемая система согласования должна обеспечивать минимизацию потерь, обусловленных цифровым представлением широкополосного сигнала, до уровней, сопоставимых с потерями, вносимыми в ШПС ионосферным каналом связи.
Таким образом, задача разработки методов приема/передачи информации с помощью широкополосных сигналов для обеспечения информационной безопасности в телекоммуникационных системах является актуальной.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании и разработке программно-аппаратных средств согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала с трактом цифровой обработки, функционирующих в условиях изменяющейся помеховой обстановки и позволяющих минимизировать потери при цифровом представлении широкополосных сигналов.
Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
- оценка влияния нелинейных фазовых искажений на широкополосный сигнал в ионосферном канале связи;
- анализ методов: передачи дискретной информации с использованием широкополосных сигналов;
- исследование влияния амплитудного ограничения сигнала в линейном тракте на качество приема широкополосных сигналов;
- оценка стационарности КВ-канала связи, выбор интервала квазистационарности и выработка требований, предъявляемых к основным параметрам системы автоматической регулировки усиления;,
- разработка программно-аппаратных средств согласования для реализации предложенных алгоритмов в аппаратуре приема дискретной информации;
- проведение лабораторных и трассовых испытаний разработанных средств связи с широкополосными сигналами;
- оценка эффективности предложенных алгоритмов программно-аппаратных средств. -
Объектом исследования яэляется цифровая система связи, функционирующая в сложной, быстро изменяющейся помеховой обстановке.
Предметом исследования является исследование нелинейных фазовых искажений широкополосного сигнала в ионосферном канале связи и программно-аппаратная реализация предложенных алгоритмов согласования линейного тракта с трактом цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.
Методы исследования. При выполнении диссертационных исследований использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на численных методах решения дифференциальных уравнений, методах теории вероятности и математической статистики, а также теории случайных процессов. Экспериментальные исследования проводились путем имитационного моделирования на моделях, адекватных реальной помеховой обстановке, и натурных испытаниях макетов, использующих предложенные программно-аппаратные решения.
Научная новизна. В процессе выполнения исследований были получены следующие новые научные результаты:
- установлена степень влияния нелинейных фазовых искажений ионосферного канала на основные характеристики энергетического спектра широкополосного сигнала;
- определены требования к системе согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки с целью минимизации искажений, обусловленных цифровым представлением широкополосного сигнала;
- разработана методика оценки стационарности КВ-канала связи для интервалов времени, соответствующих средней длительности передачи радиограмм;
- создана программно-аппаратная реализация системы согласования при использовании широкополосного сигнала с неравномерным энергетическим спектром в случае малых отношений сигнал/помеха;
- по результатам натурных испытаний определены условия эффективности использования разработанных автором правил функционирования системы согласования в приемнике широкополосных сигналов.
Практическую ценность представляют:
- предложенная модель аддитивной смеси широкополосного сигнала и помех в КВ-канале связи, позволяющая на стадии проектирования синтезировать и исследовать алгоритмы функционирования системы связи с широкополосными сигналами;
- основные параметры системы согласования линейного тракта и тракта цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона, рассчитанные на основе оценки интервала квазистационарности КВ-канала связи;
- разработанные программно-аппаратные средства согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки, удовлетворяющие заданным требованиям к уровню потерь при цифровом представлении сигналов;
- результаты натурных испытаний, подтверждающие эффективность реализации системы согласования при использовании в каналах с мощными станционными помехами.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся теоретические разработки и программно-аппаратные решения по созданию алгоритма приема широкополосных сигналов, в том числе:
- математическая модель ионосферного канала связи, учитывающая влияние нелинейных фазовых искажений, вносимых в широкополосный сигнал;
- исследование эффективности цифрового представления сигналов при использовании разработанных программно-аппаратных средств согласования линейного тракта приема и тракта цифровой обработки;
- методы оценки интервала квазистационарности КВ-канала связи;
- научно-обоснованные технические решения, использованные при создании измерительного стенда и образцов приемопередающих радиостанций;
- программно-аппаратная реализация алгоритма работы системы согласования линейного тракта с устройствами цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.
Реализация и внедрение работы. Результаты диссертационной работы используются на ОАО "Сарапульский радиозавод" и в учебном процессе Ижевского государственного технического университета на кафедре ^'Радиотехника" в лекционном курсе "Цифровая обработка радиолокационных сигналов".
Диссертационная работа основана на результатах научно-исследовательских работ, выполненных для ОАО "Сарапульский радиозавод".
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на:
- Десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2004);
- 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2004" (Москва, 2004);
> - XXI Военно-научной конференции (Москва, 2005);
- Двенадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2006);
- Шестьдесят первой научной сессии, посвященной дню радио (Москва,
- Третьей научно-технической конференции "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства" (Ижевск, 2006);
- Второй всероссийской научной конференции-семинаре "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике (Муром, 2006).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 статьи в научно-технических сборниках включенных в перечень научных журналов, по рекомендации ВАК РФ, 12 тезисов и докладов на российских и международных научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложенные на 138с. машинописного текста. В работу включены 51 рис., 7 табл., список литературы из 117 наименований и приложений на 2с.
Введение содержит обоснование актуальности диссертационной работы, формулировку цели и задач работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и определены содержание и методы исследований.
В первой главе изложены результаты исследования влияния ионосферного канала связи на основные параметры широкополосных сигналов.
Основой для исследования фазовых характеристик ионосферного канала связи является расчет траектории монохроматической радиоволны. Для заданного канала связи определяются траектории волн в зависимости от частоты и рассчитываются параметры, определяющие фазовые искажения. Используемый в. диссертационной работе метод расчета траекторий радиоволны учитывает влияние магнитного поля и сферичность Земли. Траектория радиоволны определена системой дифференциальных уравнений в сферической системе координат. ■
Известно, что широкополосные сигналы в ионосферном канале подвержены двум видам фазовых искажений. Это нелинейные фазовые искажения, обусловленные средними характеристиками изменения электронной концентрации в ионосфере, а также флуктуации фаз спектральных составляющих, определяемые влиянием неоднородностей ионосферы. В исследованиях использована параболическая аппроксимация изменения электронной концентрации в ионосфере. На рисунках 1,а и 1,6 приведены полученные зависимости нелинейных фазовых искажений и среднеквадратичные значения фазовых флуктуаций от частоты. Использованы следующие обозначениям г0 - высота нижнего края слоя над поверхностью Земли; гт - полутолщина слоя; //т - значение электронной концентрации в максимуме; /0 - частота волны; Р - коэффициент, описывающий интенсивность флуктуаций электронной плотности; Г- дальность связи.
0.014т 0.012| 0.01$ о.ооа
11.46 11.53 11.60 11.67 11.74
г0=100 км, гт=20км, #т=2-10*см*, Р=Ю-2;
го=100км, гт1=2км, г^гОкм, Л/т=2-108смЛ р=10-2.
Г=760км ГИ000км ГИ300км Л=2000км
Рис. 1. Фазовые искажения широкополосных сигналов в ионосферном канале: а — нелинейные фазовые искажения; б—среднеквадратичные значения фазовых флуктуаций
Проведенные исследования показывают, что влияние флуктуации фаз на прием широкополосных сигналов проявляется флуктуациями времени прихода 111ПС, среднеквадратические значения, которых не превышают 10"9секунд. Этот результат определяет ограничения на длительность широкополосных сигналов. Необходимо минимизировать влияния флуктуаций фаз спектральных составляющих на качество приема ШПС.
В ходе исследований было установлено, что нелинейные фазовые искажения имеют квадратичный характер зависимости от ширины полосы широкополосного сигнала Энергетические потери, обусловленные влиянием нелинейных фазовых искажений на прием широкополосного сигнала, могут быть охарактеризованы коэффициентом использования мощности сигнала.
Коэффициент использования мощности сигнала определяется из форму-
где сц, - коэффициент квадратичной составляющей нелинейных фазовых искажений для односкачковой трассы; В5 - база широкополосного сигнала.
Фазовые искажения накапливаются, поэтому для многоскачковых трасс коэффициент квадратичной составляющей нелинейных фазовых искажений оц, равен произведению числа скачков на значение коэффициента для односкачковой трассы. Графические зависимости влияние полосы широкополосного сигнала, на значение коэффициента использования мощности сигнала приведены на рис 2. Установлено влияние неравномерности энергетического спектра широкополосного сигнала на нелинейные фазовые искажения. Показано, что уровень фазовых искажений возрастает с ростом глубины проникновения широкополосного сигнала в ионосферу. Причем глубина проникновения является возрастающей функцией отношения несущей частоты сигнала к значению максимально применимой частоты.
Г-1300км 2 • • • Г-2000км двухслойная ионосфера' м-н Г*7в0км ■»-•+• Г»1000км Г«1300км Г"2000км
40 60 80 юо Односкачковая трасса
Трех скачковая трасса
Рис. 2. Потерн, обусловленные фазовыми искажениями широкополосного сигнала
Сильная зависимость фазовых искажений от отношения приводит к тому, что в нижней части КВ-диапазона допустимая ширина ШПС будет значительно больше, чем в верхней части диапазона. Анализ расчетных зависимостей показал, что при односторонней ширине спектра широкополосного сигнала не превышающей 25. 30 кГц потери в мощности широкополосного сигнала, обусловленные нелинейными фазовыми искажениями, не превышают 0.06 дБ для односкачковых трасс и 0.5 дБ для трех скачковых.
Проведены сравнительные оценки методов передачи дискретной информации с использованием широкополосных сигналов путем сопоставления существующих методов прямого расширения спектра. Коротковолновый канал связи является каналом с медленно изменяющейся фазовой характеристикой.
Поэтому высокое качество передачи дискретной информации обеспечивается при использовании сигналов с относительно фазовой манипуляцией. Задача выбора вида модуляции решалась путем сопоставления показателей спектральной эффективности. В ходе исследований рассматривались различные виды квадратурной и дифференциальной фазовой модуляции, в том числе и относительная фазовая манипуляция с косинусным скруглением по Найквисту формы спектра:
■ а] ■ h(t - i ■ Ts )cos со0/ +
■ c¡y ■ h(t - i ■ Ts )sin toQt ;„ ^ ^ imTs <t < (/ + l) ■ Ts,
где a¡, ар — двоичные информационные символы в квадратурном и синфазном каналах принимающие значения ±1; £s энергия информационного символа; Г5 длительность информационного символа; соо — несущая частота; п — номер передаваемого информационного символа, h