Задача обнаружения сигналов на фоне помех остается одной из важнейших задач цифровой обработки сигналов и является актуальной во многих прикладных областях [1−12, 19−21, 44−46, 50−54, 66−76]. Проблема эффективного анализа и определения характеристик сигналов, в том числе и априорно неизвестных, в присутствии помех различной природы на сегодняшний день представляет собой не только одно из важнейших направлений исследований теории обнаружения сигналов, но и область активных разработок для многочисленных технических приложений [5−7, 1417, 47−53, 61−65]. Различные критерии при проектировании оптимальных устройств обработки сигналов, а также различный характер помех обусловили большое число применяемых для решения данных задач подходов. Для решения многих теоретических и практических задач обработки сигналов в присутствии помех фундаментальное значение имеют работы Д. В. Агеева, П. С. Акимова, Л. С. Гуткина, В. А. Котельникова, Б. Р. Левина, Ю. С. Лёзина, Ю. Г. Сосулина, В. И. Тихонова, Н. Винера, Б. Гоулда, А. Оппенгейма, Л. Рабинера и многих других ученых. Вместе с тем, современный уровень развития техники передачи и обработки сигналов не только ставит новые задачи анализа сложных широкополосных сигналов, но и предоставляет высокопроизводительные схемотехнические решения, позволяющие реализовывать вычислительно ёмкие алгоритмы на компактных, высокотехнологичных встраиваемых вычислительных системах.
Задача обнаружения сигнала содержит в себе две подзадачиобнаружение сигнала с неизвестными параметрами, на присутствие которого указывают наличие модуляции и уникальной передаваемой последовательности символов, и обнаружение сигнала с известными параметрами на фоне сильных шумов, принимаемого с нелинейными искажениями.
Обе эти подзадачи являются актуальными во многих приложениях.
Обнаружение сигнала с неизвестными параметрами является основной задачей в таких применениях, как связь с космическими объектами, где влияние атмосферы, эффекта Доплера, широкополосного кодирования и низкое отношение сигнал/шум при приеме могут приводить к сильным искажениям сигнала.
Вторая задача, связанная с обнаружением сигнала с известными параметрами на фоне шумов, является актуальной во многих областях прикладной науки — медицинской и технической диагностике, радиолокации, радионавигации, отслеживании перемещений грузов, юстировке космических объектов и многих других. Важной составной частью данной задачи является разработка методов определения взаимной временной задержки между сигналами, распространяющимися по каналам с различными параметрами.
На сегодняшний день общего подхода к определению взаимной временной задержки не существует. В ряде применений для решения задачи традиционно используют сигналы с хорошими корреляционными свойствами [5, 6, 47, 62], например коды Баркера или М-последовательности, и специальные методы обработки, позволяющие повысить отношение сигнал/шум и в ряде случаев уменьшить объем обрабатываемой информации. Оценку временной задержки в задачах определения местоположения источника излучения обычно проводят на основе методов оптимальной (согласованной) фильтрации [3, 7−9, 11−13, 16, 53].
Интенсивное использование современных многоканальных цифровых систем связи с временным разделением каналов приводит к необходимости применения специфических методов обработки сигналов, во многих случаях представляющих собой короткие информационные пакеты с фазовой или частотной манипуляцией в присутствии шумов. Наличие сильных аддитивных и мультипликативных шумов различной природы ограничивает возможность применения традиционных подходов и обуславливает актуальность разработки новых методов решения подобных задач. Основными причинами, усложняющими реализацию алгоритма оценки временной задержки, как правило, являются: низкое (до 0 дБ и ниже) отношение сигнал/шум на входе приемника и влияние относительного движения источника и приемника излучения, которое приводит к смещению оценки временного сдвига. Особенностью разрабатываемых алгоритмов должна быть возможность их реализации на базе программируемой логики и сигнальных процессоров. Такая постановка задачи накладывает ограничение на сложность алгоритма, объем кода и данных, а также время выполнения в соответствии с аппаратными возможностями выбранной для практического применения вычислительной системы.
В соответствии с изложенным выше, целью диссертационной работы является разработка цифровых алгоритмов обнаружения и определения параметров сигналов, содержащих короткие информационные пакеты с фазовой манипуляцией. Специфика алгоритмов состоит в необходимости определения параметров сигналов в присутствии аддитивных и мультипликативных шумов высокого уровня в условиях неточного, например вследствие влияния эффекта Доплера, знания несущей частоты. Особое внимание уделено требованию простой и эффективной реализации алгоритмов для работы в режиме реального времени с использованием встраиваемых вычислительных систем на базе цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) [26, 27, 28−35].
Актуальность работы. Задачи обнаружения и определения параметров многоканального распространения сигналов (взаимной временной задержки, частотного сдвига) имеют большое значение во многих областях прикладной физики и техники. В частности, методы определения временной задержки между принятыми сигналами являются основой для решения задач определения местоположения объектов излучения. Основные трудности при решении поставленной задачи на основе традиционных корреляционных методов и согласованной фильтрации связаны с изменением параметров обрабатываемых сигналов, например смещением и масштабированием спектра. Традиционно компенсация подобных искажений производится введением в алгоритм обработки перебора по частоте (обобщенный метод максимального правдоподобия, реализуемый в данном случае методом вычисления функции неопределенности Вудворда), что является вычислительно емкой процедурой. В связи с этим актуальной является задача сокращения объема вычислений в подобных алгоритмах. Использование нелинейной обработки в задаче компенсации спектрального сдвига позволяет добиться большего разрешения при работе с короткими сигналами, характерными для современных многоканальных систем связи с временным уплотнением каналов.
Научная и практическая г (енность. При использовании методов обнаружения и декодирования сигналов, разработанных для применения в области радиосвязи на сигналы часто накладываются достаточно жесткие требования низкого уровня шумов и малых нелинейных искажений. Использование сигналов для передачи информации в условиях неуверенного приема или интенсивного воздействия помех, а также при передаче по каналу с использованием широкополосного кодирования, диктует необходимость разработки алгоритмов обнаружения, декодирования и определения параметров сигналов, адаптирующихся к специфической шумовой ситуации. Другим недостатком известных алгоритмов демодуляции ФМ-сигналов являются трудности при их применении к многопозиционным видам фазовой манипуляции.
При решении задачи определения взаимной временной задержки сигналов методом вычисления функции неопределенности для обеспечения требуемой точности оценки необходимо обрабатывать большие объемы данных. При аппаратной реализации это приводит к существенному увеличению требований к объему памяти вычислительной системы и ее высокой производительности, достаточной для выполнения вычислений в режиме реального времени.
В диссертационной работе предложен адаптивный алгоритм обнаружения и декодирования многопозиционных ФМ-сигналов, устойчивый к воздействию аддитивных и мультипликативных шумов. В работе предложен алгоритм определения временной задержки сигналов на основе модификации метода вычисления функции неопределенности, позволяющий значительно снизить требования к вычислительной системе. Предложенная модификация позволяет уменьшить объем памяти и вычислений, требуемых для обработки сигнала, с сохранением точности результата, что является важным фактором при реализации алгоритма с использованием встраиваемых вычислительных систем.
Научная новизна работы. В диссертационной работе для решения задачи обнаружения и декодирования ФМ-сигналов предложены адаптивный алгоритм подстройки фазы и адаптивный алгоритм временной автоподстройки. Первый предназначен для выделения модулирующей последовательности для различных видов фазовой манипуляции и снижает вероятность искажения данных вследствие явления «обратной работы» при значительном уровне фазового шума и девиации несущей частоты. Второй алгоритм предназначен для локализации моментов начала и окончания сигнала и поддержания символьной синхронизации в принимаемом сигналеподдержание символьной синхронизации уменьшает вероятность таких искажений принимаемого кода, как «вставки» и «выпадания» символов при нестабильности частоты передачи.
Для решения задачи определения временного сдвига между каналами распространения сигнала в диссертационной работе предложен алгоритм на основе вычислительно эффективной модификации метода нелинейного спектрального оценивания при реализации метода функции неопределенности. Предложенные модификации позволяют повысить устойчивость к воздействию шумов, а также достигнуть более высокой точности оценок для сигналов, содержащих короткие блоки данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
• на всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии». Нижний Новгород, НГТУ, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 гг;
• на V, VI, VII, VIII и IX международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Москва, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 гг;
• на II межрегиональной конференции «Новейшие информационные технологии — инструмент повышения эффективности управления». Н. Новгород, 2002 г;
• на девятой нижегородской сессия молодых ученых. Дзержинск, 2004 г;
• на X и XII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика». Москва, 2004, 2006 гг;
• на VIII, IX, X, XI и XII научных конференциях по радиофизике. Нижний Новгород, РФ ННГУ, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 гги были опубликованы в статьях:
• в журнале «Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского». Серия «Инновации в образовании», 2002, серия «Радиофизика», 2004 и серия «Физика твердого тела», 2005;
• в журнале «Радиотехника и электроника», 2007; 1
• в журнале «Известия ВУЗов. Радиофизика», 2007.
Основные положения, представляемые к защите:
• цифровой алгоритм обработки сигнала, предназначенный для обнаружения пакетов с многопозиционной фазовой манипуляцией, включающий в себя:
— алгоритм адаптивной подстройки фазы для демодуляции и восстановления модулирующей последовательности многопозиционных ФМ-сигналов в условиях фазового шума и девиации несущей частоты;
— адаптивный алгоритм временной автоподстройки для обнаружения начала и окончания модулированного сигнала, определения частоты передачи символов и поддержания символьной синхронизации для правильного декодирования без «вставок» и «выпаданий» символов в условиях нестабильности частоты передачи;
• результаты моделирования и исследования устойчивости работы алгоритма обнаружения и декодирования ФМ-сигналов по отношению к уровню аддитивных и мультипликативных шумов;
• алгоритм определения временного и частотного сдвига между реализациями ФМ-сигнала, принятыми по разным каналам, обладающим различными параметрами, на основе модификации метода функции неопределенности с уменьшением объема вычислений и введением нелинейной спектральной обработки неитерационным методом;
• результаты моделирования устойчивости работы алгоритмов определения временной задержки на основе нелинейного спектрального оценивания в условиях аддитивных и мультипликативных шумов различного уровня.
Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных литературных источников и двух приложений.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:
• разработан алгоритм обнаружения и декодирования фазоманипулированных сигналов, включающий в себя:
— адаптивный алгоритм фазовой автоподстройки для демодуляции многопозиционных фазоманипулированных сигналов в условиях фазовых шумов и девиации несущей частоты;
— адаптивный алгоритм временной автоподстройки для принятия решения об обнаружении сигнала с фазовой манипуляцией и поддержания символьной синхронизации в условиях нестабильности частоты передачи;
• алгоритм обнаружения и декодирования исследован методами математического моделированияпроизведено сравнительное моделирование алгоритма для сигналов с модуляцией ФМ2 и ФМ4 и проанализирована зависимость вероятности ошибочного принятия символа от отношения сигнал/шумдля сравнения использован метод фазовой автоподстройки частоты, реализованный в схеме Костаса;
• предложена модификация метода функции неопределенности Вудворда для решения задачи определения временного и частотного сдвига между реализациями сигнала, прошедшими по каналам с различными параметрами, из которых одна содержит сильные аддитивные и мультипликативные шумы и может сопровождаться смещением и масштабированием спектра в результате влияния эффекта Доплера. В работе предложены следующие модификации:
— переход от полного вычисления функции неопределенности во всем интервале временных и частотных сдвигов к построению сечения позволяет многократно уменьшить требуемый для решения задачи объем вычислений без потери точности;
— введение децимации с приведением длины выборки к стандартному постоянному значению позволяет уменьшить объем вычислений для спектрального преобразования и зафиксировать требования к объему памяти, необходимому для вычислений на встроенных системах, а также увеличить устойчивость к воздействию аддитивных шумов за счет частичной неявной фильтрации;
— использование нелинейного спектрального оценивания при вычислении функции неопределенности позволяет достигнуть большего разрешения при компенсации частотного сдвига при обработке сигналов коротких информационных пакетов- • предложенный алгоритм определения временного и частотного сдвига исследован методами математического моделированиямоделирование производилось для сравнения линейного и нелинейного алгоритмов на сигналах с модуляцией ФМ2 и ФМ4 различной длительности, для различных значений уровня аддитивных и мультипликативных шумовпо результатам сделан вывод об обоснованности применения нелинейной модификации для сигналов с ограниченным объемом информации на фоне достаточно сильного шума (отношение сигнал/шум меньше О дБ).
Предложенные алгоритмы позволяют повысить надежность обнаружения коротких сигналов систем связи на фоне аддитивных и мультипликативных помех, снижают требования по объему вычислений и памяти, необходимых для определения параметров распространения и за счет нелинейной обработки позволяют получить более точные оценки частотного сдвига. Разработанные алгоритмы допускают эффективную реализацию с использованием встраиваемых вычислительных систем на базе цифровых сигнальных процессоров и программируемых логических интегральных схем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
