Исследование и разработка средств согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала КВ-диапазона с устройствами цифровой обработки

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 уменьшении 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 искажениямноголучёвость распространениязамирания сигнала, как быстрые, так и медленные [37, 56,74, 103]. Для снижения негативного влияния таких факторов и увеличения загрузки каналов связи разработаны и применяются средства связи[9, 16, 18, 20, 52, 56, 57, 60, 75], 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 (далее ШПС) [9, 12, 72, 74, 97, 108]. 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, В. А. Котельникова, А. А. Харкевича, В. И. Сифорова, Н. Т. Петровича, В. И. Тихонова, Б. Р. Левина, J1.M. Финка, а также Стратоновича, Ю. В. Гуляева, Д. Д. Кловского, Н. П. Хворостенко, Т. Кайлата, Дж.М. Возенкрафта, J1.E. Варакина, В. Б. Пестрякова, А. А. Сикарева, Г. И. Тузова, А. П. Трифонова, Ю. С. Шинакова, Б. И. Николаева, В.Г.

Карташевского и многих других отечественных и зарубежных авторов. 5.

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 [7, 19, 21, 35, 71, 74, 79, 80, 108]. Однако применение систем связи с широкополосными сигналами осложняется тем, что при реализации приемного устройства требуется выполнять ортогональные преобразования. Для выполнения этих процедур необходимо разрабатывать 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 двоичной 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. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1 оценка влияния нелинейных фазовых искажений на широкополосный сигнал в ионосферном канале связи;

2 анализ методов передачи дискретной информации с использованием широкополосных сигналов;

3 исследование влияния амплитудного ограничения сигнала в линейном тракте на качество приема широкополосных сигналов;

4 оценка стационарности КВ-канала связи, выбор интервала квазистационарности и выработка требований, предъявляемых к основным параметрам системы автоматической регулировки усиления;

5 разработка программно-аппаратных средств согласования для реализации предложенных алгоритмов в аппаратуре приема дискретной информации;

6 проведение лабораторных и трассовых испытаний разработанных средств связи с широкополосными сигналами;

7 оценка эффективности предложенных алгоритмов программно-аппаратных средств.

Объектом исследования является 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.

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 так же теории случайных процессов. Экспериментальные исследования проводились путем имитационного моделирования на моделях, адекватных реальной помеховой обстановке и натурных испытаниях макетов, использующих предложенные программно-аппаратные решения. В процессе выполнения исследований были получены следующие новые научные результаты:

1 установлена степень влияния нелинейных фазовых искажений ионосферного канала на основные характеристики энергетического спектра широкополосного сигнала;

2 определены требования к системе согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки с целью минимизации искажений, обусловленных цифровым представлением широкополосного сигнала- 7.

3 разработана методика оценки стационарности КВ-канала связи для интервалов времени, соответствующих средней длительности передачи радиограмм;

4 создана программно-аппаратная реализация системы согласования при использовании широкополосного сигнала с неравномерным энергетическим спектром в случае малых отношений сигнал/помеха;

5 по результатам натурных испытаний определены условия эффективности использования разработанных автором правил функционирования системы согласования в приемнике широкополосных сигналов.

Практическую ценность представляют:

1 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;

2 основные параметры системы согласования линейного тракта и тракта цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона, рассчитанные на основе оценки интервала квазистационарности КВ-канала связи;

3 разработанные программно-аппаратные средства согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки, удовлетворяющие заданным требованиям к уровню потерь при цифровом представлении сигналов;

4 результаты натурных испытаний, подтверждающие эффективность реализации системы согласования при использовании в каналах с мощными станционными помехами.

На защиту выносятся теоретические разработки и программно-аппаратные решения по созданию алгоритма приема широкополосных сигналов, в том числе:

1 математическая модель ионосферного канала связи, учитывающая влияние нелинейных фазовых искажений, вносимых в широкополосный сигнал;

2 исследование эффективности цифрового представления сигналов при использовании разработанных программно-аппаратных средств согласования линейного тракта приема и тракта цифровой обработки;

3 методы оценки интервала квазистационарности КВ-канала связи;

4 научно-обоснованные технические решения, использованные при создании 8 измерительного стенда и образцов приемо-передающих радиостанций- 5 программно-аппаратная реализация алгоритма работы системы согласования линейного тракта с устройствами цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.

Результаты диссертационной работы используются на ОАО «Сарапульский радиозавод», приложение А, и в учебном процессе Ижевского государственного технического университета на кафедре «Радиотехника» в лекционном курсе «Цифровая обработка радиолокационных сигналов», приложение Б". Диссертационная работа основана на результатах научно-исследовательских работ, выполненных для ОАО «Сарапульский радиозавод» .

Диссертация состоит из 4-х глав, содержание которых заключается в следующем. В первой главе изложены результаты исследования влияния ионосферного канала связи на основные параметры широкополосных сигналов.

Во второй главе решается задача исследования влияния амплитудного ограничения в линейном тракте на качество приема широкополосных сигналов при цифровом представлении. В рамках этой задачи минимизируется разрядность представления цифровых отсчетов сигналов при условии снижения потерь, связанных с ошибками квантования и амплитудного ограничения аналоговых сигналов.

В третьей главе вырабатываются требования к основным техническим характеристикам системы согласования, а так же проводится оценка эффективности созданных алгоритмов системы согласования. При решении поставленных задач проводится анализ стационарности КВ-канала связи и определяется величина интервала квазистационарности. На этапе анализа эффективности системы АРУ оценивается отклонение среднего значения амплитуды сигнала на выходе линейного тракта приемника.

В четвертой главе рассматриваются вопросы практической реализации и проведения экспериментальных исследований разработанного при непосредственном участии автора, приемника дискретной информации с использованием широкополосных сигналов.

Общие выводы.

1 Разработана математическая модель ионосферного канала связи, позволяющая произвести учет нелинейных фазовых искажений, вносимых в ШПС. В ходе теоретических исследований установлено, что при односторонней ширине спектра ШПС, 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.

2 Проведен анализ методов передачи дискретной информации. Показано, что требуемое качество передачи дискретной информации обеспечивается при использовании сигналов с фазовой манипуляцией, так как КВ-канал является каналом с медленно изменяющейся фазовой характеристикой. Установлено, что в качестве носителя дискретной информации необходимо применять сигнал двойной относительной фазовой манипуляции с косинусным скруглением по Найквисту формы спектра.

3 Получены оценки эффективности цифрового представления сигналов при использовании средств согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки. Исследования позволяют сделать вывод, что применение аналого-цифровых преобразователей с числом значащих разрядов не менее 8 характеризуется потерями, связанным с цифровым представлением сигналов, не превышающими 0.1 дБ. Установлено, что минимум потерь имеет место при отношении 5.1 максимального входного сигнала АЦП к среднему значению амплитуды сигнала на выходе линейного тракта приемника.

4 Проведены трассовые испытания позволившие определить временной интервал квазистационарности анализируемых сигналов в КВ-диапазоне. Полученное значение интервала характеризует время, в течении которого среднее значение амплитуды сигнала в КВ-канале связи изменяется не более чем 17% и выступает в качестве интервала анализа среднего значения амплитуды сигнала.

5 Создан измерительный стенд для обработки и записи широкополосных сигналов. Для работы стенда разработан пакет программ, обеспечивающих взаимодействие исследователя с платой аналого-цифрового преобразования и образцами приемо-передающих радиостанций.

6 Разработана система согласования, поддерживающая отношение максимального входного сигнала АЦП к среднему значению амплитуды преобразуемой смеси ШПС и помех на уровне 5.5.5, что соответствует теоретически обоснованному значению. Для практической реализации системы согласования предложена двухконтурная система автоматической регулировки усиления и создано необходимое программное обеспечение.

7 Получены оценки эффективности системы согласования линейного тракта с устройствами цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона. Исследования позволяют сделать вывод, что благодаря использованию системы согласования происходит снижение на 6.5 дБ флуктуаций сигнала относительно значения, поддерживаемого на выходе линейного тракта приемника. В ходе экспериментов установлено, что предложенная система согласования обладает диапазоном регулирования равным 102 дБ.

8 Проведены трассовые испытания радиолинии КВ-диапазона с использованием широкополосных сигналов на трассах протяженностью 1300 и 2200 км. Полученный выигрыш по вероятности правильного приема подтвердил целесообразность применения разработанных программно-аппаратных средств согласования линейного тракта и тракта цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.