Данная диссертационная работа посвящена исследованию эффективности применения сложных сигналов второго порядка (ССВП) в радиотехнических системах обработки информации с учетом влияния ограничений, накладываемых параметрами используемых в них узлов и устройств путем разработки методов моделирования учитывающих особенности ССВП.1 -, 4
Как известно, под сложными сигналами (СС) понимаются такие сигналы, у которых произведение их длительности т на ширину спектра занимаемых ими полосы частот AF, называемое базой В = тAF, много больше единицы [1−6].
В последнее время появились СС к-го порядка [7−10]. Под СС А:-го порядка (к= 1, 2, 3, 4,.), понимаются такие сигналы, у которых в каждый момент времени на частотно-временной плоскости находится к значений частоты. При этом на каждой к-й частоте над одной и той же информацией осуществляется модуляция по своему закону, присущему только этой частоте и зависящей от законов модуляции на других частотах.
Частным случаем являются СС второго порядка (ССВП), т. е. к=2, каждый из которых состоит из пары СС первого порядка (ССПП), т. е. к=.
Актуальность темы
диссертационной работы и состояние вопроса.
Как известно, в настоящее время ССПП нашли широкое применение практически во всех информационных радиосистемах, таких, например, как радиолокационные и телекоммуникационные. Большой вклад в развитее теории и техники формирования, генерирования, приема и обработки ССПП внесли Ville J., Woodward P.M., Gabor D., Benjamin R., Cook C.E., Bernfeld M., Barker R.H., Franks L.E., Спока B.K., Ширман Я. Д., Варакин JI.E., Пестряков В. Б., Свистов В. М., Петрович Н. Т., Размахнин М. К., Вакман Д. Е., Седлецкий P.M. и ряд других зарубежных и отечественных исследователей [1−22]., ., :
Это позволило начать широкое применение ССПП в различных радиосистемах. Дальнейшее развитие теории и техники радиосистем привело к появлению ансамбля СС. К первым работам в этом направлении можно отнести работы, опубликованные Welti G.R., Golay M.Y.E. [23, 24]. Теоретические исследования ансамблей ССПП из которых состоят получаемые ССВП показали возможность получения откликов, представляющие собой суммы откликов согласованных фильтров (СФ), описываемых автокорреляционными функциями (АКФ), у которых отсутствуют боковые лепестки (БЛ) вдоль оси времени.
Поскольку в 60-х годах прошлого столетия стоимость узлов формирования, генерирования, приема и обработки ССПП достигало
I половины стоимости проектируемой радиосистемы, то в течение длительного времени идеи, рассмотренные в указанных выше работах не находили практического применения.
Появление цифровой обработки сигналов (ЦОС), большой вклад в развитие которой внесли Gold В., Rader М., Rabiner L., Oppenheim A.V., Гольденберг Л. М. Лихарев В.А. и ряд других зарубежных и отечественных исследователей, позволило применить алгоритмы, которые не находили ранее своего применения [25−30].
Это вызвало интерес к разработке теории и исследованию принципов обработки ансамблей СС, законы модуляции каждого из которых в ансамбле зависят от законов модуляции всех других сигналов этого же ансамбля СС.
К настоящему времени основные исследования' в этом направлении были проведены и опубликованы в работах Литюка В. И., Овсеенко А. В, Литюка Л. В., Кокоревой В. А., в которых рассматриваются различные аспекты синтеза и обработки ансамблей СС высокого порядка, включая простейшие из них ССВП [31−56].
В работах [47−56] рассмотрены возможности использования свойств суммарных взаимокорреляционных функций (ВКФ) ансамблей ССВП для выделения помеховых реализаций с целью повышения помехоустойчивости, использующих их радиосистем.
В частности, рассмотрены методы, позволяющие компенсировать помеховые реализации, поступающие на обработку в аддитивной смеси с ССВП за счет использования свойств ансамблей ДКП.
Тем не менее, к настоящему времени недостаточно исследована эффективность радиосистем различного назначения, в которых применяются ансамбли ССВП.
Поэтому тема диссертационной работы, посвященной исследованию и разработке алгоритмов моделирования радиосистем, использующих ССВП, является актуальной.
Объектом исследования являются радиосистемы, использующие ССВП, и оценка (их эффективности путем использования введенных критериев в виде коэффициентов подавления помеховых реализаций.
Предметом исследования являются алгоритмы обработки, программное и аппаратно-программное моделирование с учетом влияния параметров узлов радиосистем, использующих ССВП.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности радиосистем, использующих ССВП, с учетом влияния на эффективность компенсации аддитивных помеховых составляющих, сопровождающих прием полезного ССВП, параметров внутренних узлов этих радиосистем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
— разработка алгоритмов обработки, учитывающих при их программной реализации особенности и ограничения, присущие реальным узлам моделируемых радиосистем для оценки их эффективности при различных видах искажений входных ССВП;
— разработка алгоритмов частотного дискриминирования принимаемого ССВП с подавленной несущей с учетом особенностей технической реализации используемых узлов тракта их обработки для оценки эффективности радиосистем с ССВП путем их программного моделирования;
— разработка аппаратно-программного комплекса для формирования и генерирования ССВП и помеховых реализаций и их совместной программной обработки для подтверждения правильности разработанных моделей и алгоритмов, используемых при программном моделировании.
Научная новизна.
В рамках данной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
— разработан алгоритм обработки ССВП, позволяющий учитывать параметры узлов радиосистем, использующих такие сигналы;
— определено влияние на эффективность обработки ССВП нелинейных устройств в виде аналого-цифровых преобразователей (АЦП), частотно-избирательных узлов, а также таких параметров как длительность выборки входного процесса и погрешности оценки величины выборочных значений входного полезного сигнала в принимаемой реализации;
— разработан алгоритм оценки сдвига подавленной несущей частоты входного ССВП в радиосистеме за счет свойств ансамблей используемых СС
I в приемной части тракта системы передачи информации;
— разработан аппаратно-программный комплекс для реализации формирования и обработки одиночного ССВП и независимых помеховых реализаций, поступающих на обработку в аддитивной смеси, и программной реализации их обработки.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
— получены результаты программного и аппаратно-программного моделирования, показывающие работоспособность и эффективность предложенного алгоритма компенсации помеховых реализаций, сопровождающих прием ССВП;
— получены результаты моделирования исследуемого программного алгоритма без и с учетом влияния параметров узлов радиосистем, использующих ССВП, позволяют оценить и выбрать параметры узлов, обеспечивающих заранее заданные требования к эффективности обработки сигналов;
— оценено влияние погрешностей измерений амплитуд полезных сигналов на степень компенсации помеховых составляющих для отношений сигнал/помеха (ОСП) на входе от цвх = -10 дБ до цвх = -80 дБ;
1. ч
— получены результаты моделирования частотного дискриминатора 1 показывают возможность его реализации при ОСП д^-ОдБ с заранее заданными точностными характеристиками, определяемые параметрами внутренних узлов, при относительной расстройке в диапазоне нормированных частот ±22,5 град/отсчет;
— разработан и изготовлен аппаратно-программный комплекс моделирования, который позволяет получать результаты, подтверждающие использованные теоретические положения в диапазоне значений ОСП на входе от +9,5дБ до -20дБ. Результаты, полученные путем аппаратно-программного моделирования, отличаются от результатов, полученных при проведении программного моделирования на персональном компьютере
I .
ПК) не более чем на 2дБ.
На защиту выносятся:
— алгоритмы обработки и моделирования ССВП, синтезированных с учетом особенностей используемых узлов реальных радиосистем с различными параметрами, а именно: полосами пропускания, ограничениями длины разрядной сетки вычислителей и искажениями, вносимыми АЦП в обрабатываемые сигналы;
— алгоритм моделирования частотного дискриминирована принимаемых ССВП, представляющих собой два амплитудно-модулированных колебания с одной боковой полосой (АМОБП) и подавленной несущей частотой и разными формами амплитудно-частотных спектров (АЧС);
— алгоритм моделирования в виде аппаратно-программного комплекса, > позволяющий оценить степень совпадения получаемых результатов при проведении аппаратно-программных исследований с результатами моделирования, получаемыми при программном моделировании при одинаковых ОСП на входе.
Методы исследования основываются на использовании методов математического анализа, ЦОС, методов анализа радиотехнических цепей и сигналов, теории сложных сигналов, метод 2-преобразований, методов моделирования по комплексной огибающей, методов моделирования статистической радиотехники для моделирования помеховых реализаций, методы спектрального анализа, методы аналоговой и цифровой схемотехники, сертифицированных программных продуктов МаШСАБ, (ЗиагШБ и У^нл. «• «
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации подтверждается результатами проведенных программного и аппаратно-программных исследований, их совпадением, которые подтверждают использованные в работе теоретические положения. Результатами аппаратного моделирования, актами внедрения, публикациями, апробацией работы на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях.
Реализация результатов работы.
Основные исследования, результаты которых представлены в диссертации, проводились в рамках госбюджетной научно-исследовательской 1 работы (НИР), проводимой на радиотехническом факультете Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ), а также в ЗАО ОКБ «Ритм» .
Результаты, полученные в диссертации внедрены в работы ЗАО ОКБ «Ритм» и в учебный процесс кафедры радиоприемных устройств и телевидения (РПрУ и ТВ) ТТИ ЮФУ.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрения на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
— Тринадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (2007 г.);
— VI Международном научно-техническом семинаре (2007 г.);
— Четырнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (2008г.);
— IX Всероссийской научной конференции (2008 г.);
— Международной научно-технической и научно-методической интернет — конференции в режиме off-line (2009 г.);
— X Всероссийской научной конференции (2010 г.);
— VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (2011).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 работа в виде главы в монографии (соавтор), 3 статьи в сборниках материалов конференций и 5 тезисов докладов в сборниках материалов конференций.
Структура и объем работы. • > '
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований и 3-х приложений. Основной текст работы изложен на 200 страницах машинописного текста, поясняется 222 рисунками.
4.5. Выводы по главе
4.5.1. В данной главе рассмотрено моделирование исследуемого алгоритма на основе разработанного аппаратно-программного комплекса. Подробно рассмотрен и обоснован состав отдельных частей аппаратно-программного комплекса обработки сигналов. Показано, что целесообразно реализовать в виде аппаратной части макета имитатор ССВП и использовать внешний генератор канальных помеховых реализаций для получения реализаций, эквивалентных сигналам, поступающим с выходов канальных фазовых детекторов'. Сформированные сигналы в виде аддитивной суммы ССВП с канальными помеховыми реализациями, поступают на программную часть комплекса, а именно — на входы звуковой карты персонального компьютера (ПК), в котором осуществляется обработка полученных отсчетов в соответствии с рассматриваемым алгоритмом на основе использования разработанных программ.
4.5.2. Предложены и даются описания работы структурной и функциональной схем аппаратной части разработанного макета. Показана его работоспособность, для чего сигналы с выходов контрольных точек выводились на экран осциллографа, где производилась фиксация полученных результатов путем их фотографирования. Рассмотрена работа аппаратной части макета при отсутствии помеховых реализаций и при различном ОСП реализация. Полученные результаты представлены в виде фотоснимков осциллограмм, полученных с контрольных точек разработанного макета.
4.5.3. Показано, что в силу ограничений, накладываемых используемым программным обеспечением, получаемые отсчеты обрабатываемых реализаций, которые подвергаются аналого-цифровому преобразованию в ПК, предварительно запоминаются в памяти. Полученные отсчеты выводятся на экран ПК и затем переносятся в соответствующие места программы. Далее эти отсчеты обрабатываются в соответствии с описанным ранее алгоритмом.
4.5.4. Проведено сопоставление полученных результатов с использованием аппаратно-программного комплекса с теоретическими результатами и с результатами, полученными путем проведения машинного моделирования с использованием сертифицированного программного обеспечения, представленными в главе 2. Сопоставление полученных результатов для обоих видов проведенного моделирования показывает их полное взаимное соответствие в диапазоне ОСП до чвхт[п = -20 дБ.
4.5.5. Проведенное моделирование с использованием аппаратно-программного комплекса подтвердило работоспособность и эффективность исследуемого алгоритма обработки. Полученные результаты совпали с результатами, полученными путем моделирования на ПК с использованием сертифицированного программного обеспечения. А, следовательно, все результаты, полученные путем компьютерного моделирования, являются достоверными. • *
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При решении Задач, вытекающих из поставленной цели работы, в результате проведенных исследований, получены следующие результаты.
1. Разработана математическая модель и проведено программное моделирование алгоритма обработки ССВП без учета влияния внутренних параметров узлов радиосистемы. Полученные результаты показали работоспособность алгоритма в условиях воздействия независимых помеховых реализаций в диапазоне значений ОСП от # = оо до величины
Ятт = —80дБ.
2. Разработаны математические модели алгоритмов обработки, позволяющие провести моделирование работы радиосистемы, использующей ССВП для оценки их эффективности, в которых учитывается влияние параметров узлов. Оценивалось влияние на эффективность комйенсации помеховых реализации, при помощи введенного критерия в виде коэффициента подавления помехи Кпод, влияния следующих параметров, а именно: длины разрядной сетки вычислителя, используемого в алгоритме обработки, ширины полосы пропускания линейного тракта РПрУ, параметров АЦП и погрешности оценки амплитуды полезного сигнала.
3. Результаты программного моделирования алгоритма обработки ССВП, показали, что:
— величина компенсации помеховых реализаций при заданной длине разрядной сетки зависит от отношения полной длины выборки к количеству в ней ненулевых отсчетов и совпадает с полученными в данной работе теоретическими результатами- ' 4
— при расширении полосы пропускания линейной части РПрУ до А/г = 10/гм, величина подавления помеховых реализации зависит лишь от длины разрядной сетки вычислителя, определяющей неточность вычисления связанной с ограничением по длительности обрабатываемых реализаций, при проведении операций прямого и обратного преобразований Фурьесвязанной с ограничением по длительности обрабатываемых реализаций, при проведении операций прямого и обратного преобразований Фурье;
— потери, вызванные, влиянием конечной разрядности .АЦП,
I, определяемыепод, относительно случая, в котором не учитывается влияние параметров обрабатывающих узлов, не превышает величины ЗдБ;
— снижение величины уровня компенсации помеховых реализаций в зависимости от неточности измерения амплитуды, а от, а в пределах ±20%, определяемого введенными коэффициентами компенсации помеховых реализаций К^мп (еБ) и К^омп (е5), приводят к потерям в пределах (2,5−3) дБ, относительно величин ее компенсации при точном значения параметра а.
4. Разработан алгоритм частотного дискриминирования принимаемого I сигнала с подавленной несущей за счет свойств ансамбля ССВП. Приведены результаты программного моделирования цифрового ЧД, реализующего предлагаемый алгоритм. Результаты моделирования показали правильность используемых теоретических положений, определено влияние на линейность полученной ДХ полосы пропускания и крутизны спада АЧХ ЦФНЧ, а также определено влияние помеховых реализаций на искажение ДХ.
5. Результаты программного моделирования показали, что:
— на начальном участке ДХ нелинейность составляет менее 0,1% пределах относительной расстройке ±9 град/отсчет сигнала по фазе от отсчета к отсчету относительно истинного значения, при превышении которого до величин ±22,5град/отсчет нелинейность достигает величин (3,54) %;
— относительная погрешность отклонения полученной ДХ от «идеальной» при ОСП ц > 0 дБ не превышает Аи&trade-^1 (/) < 17,5% в диапазоне относительных расстроек ±22,5 град/отсчет.
6. Разработан аппаратно-программный комплекс моделирования ССВП, состоящий из аппаратной части, включающий в себя генератор ССВП и генератор пары независимых помеховых реализаций, и программной части, включающий в себя программу обработки ССВП согласно исследуемому алгоритму, с целью подтверждения правильности используемых моделей и полученных результатов, полученных при проведении программного моделирования.
Полученные результаты показали, что в диапазоне ОСП на входе от +9,5 дБ до -20 дБ наблюдается отклонение с результатами программного моделирования не более 2дБ, что связано с точностью используемой элементной базы и точностью измерительных приборов. Выбранный диапазон значений входных сигналов определялся точностью измерений используемых измерительных устройств.
