Программно-аппаратные средства для обработки сигналов и управления режимами в устройствах цифровых систем радиосвязи

Актуальность проблемы. Основной задачей системы радиосвязи является передача информации с высокой достоверностью и скоростью при сниже.

• нии общего уровня затрат. Эффективность работы системы связи во многом определяется тем, какие используются алгоритмы обработки сигналов, как осуществляется выбор рабочих параметров системы. В современных системах радиосвязи преобладают цифровые методы формирования и обработки сигналов.

Передача информации по радиоканалу характеризуется достаточно высоким уровнем помех и шумов. При проектировании радиосистем необходимо учитывать наличие источников помех, как естественного происхождения, так и организованных. Помехоустойчивое кодирование и соответствующие алгоритмы обработки обеспечивают достоверность передачи информации.

Вопросы оптимального приема сигналов на фоне шумов и помех подробно изучены в классических работах К. Шеннона, В. А. Котельникова, Р.Л. Стра-тоновича, Л. М. Финка, М. И. Пелехатого и многих других отечественных и зарубежных авторов. Теории и практике помехоустойчивого кодирования посвящены работы А. Д. Витерби, Л. Ф. Бородина, Р. Хемминга, Т. Кассами, Р. Блей-хута и ряда других. Однако по-прежнему актуальной остаётся задача разработ-®ки оптимальных АОС и определения верхней достижимой границы для кон* кретных сигналов, кодов и структур сообщения.

Развитие микропроцессоров позволяет реализовать устройства обработки и формирования сигналов программным путём. Актуален поиск и обоснование решений, позволяющих осуществить такую реализацию наилучшим образом.

В современных цифровых системах радиосвязи (ЦСР) повышение помехоустойчивости и скрытности передачи информации во многом достигается за счёт применения сложных широкополосных сигналов (ШПС). Одним из таких сигналов является частотно-временной сигнал (ЧВС). Появляются всё новые виды сигналов, каждый из которых имеет определённые достоинства. Методы расширения спектра и использование сложных сигналов в ЦСР рассмотрены в работах Н. Т. Петровича, Л. Е. Варакина, В. И. Борисова, Дж.Д. Прокиса, Ю. С. Шинакова. ф Ввиду сложных структур используемых сообщений и сигналов, алгоритмы обработки их элементов должны быть легко реализуемыми и экономичными, так как они используются многократно при обработке на более высоких структурных уровнях. Оптимальные алгоритмы обработки сигналов (АОС) экономичностью не отличаются. Кроме того, они требуют знания вероятностных характеристик источника сообщений и канала связи (КС). Актуален поиск квазиоптимальных алгоритмов, позволяющих решить отмеченные проблемы. Необходимо определить условия, при которых квазиоптимальные алгоритмы обес-" печивают результаты, сравнимые с оптимальными алгоритмами. ф Большое разнообразие сигналов, наличие старого парка аппаратуры, необходимость совместимости различных систем связи, а также возможность формирования сигналов программным путём привели к тому, что характерной особенностью многих радиостанций в современных ЦСР является многорежим-ность. Появляется задача эффективного выбора режима работы для конкретного сеанса связи. Более того, актуальна задача управления режимами работы в течение сеанса связи для адаптации к условиям работы и эффективного исполь-Ф зования функциональных возможностей аппаратуры.

Задача управления рабочими параметрами и режимами актуальна, например, при пакетной передаче информации, когда желательно оперативно изменять частоту, мощность, скорость передачи, длину пакета, а возможно, вид модуляции и кодирования в зависимости от условий работы.

Для решения задачи управления требуется оценка качества КС и принимаемой информации. Задачи управления и оценивания решаются различными методами. В работах Э. Сейджа, Д. Снайдера, Дж. Медича для этих целей используется аппарат уравнений состояний. Оптимальному оцениванию сигналов ф в ЦСР с учетом комплекса различных факторов, в частности несовершенства аппаратурной реализации, много внимания уделено в работах Е. А. Голубева. и И. З. Климова, но в них не рассматриваются вопросы управления режимами.

В большинстве известных работ не уделяется вниманиеконфликтным ситуациям, которые возникают при управлении процессом передачи. В явном виде не учитывается возможность смены режима работы ЦСР и источника помех в ходе сеанса связи. Формализовать описание конфликтов позволяет теория игр. Вопросы использования теории игр в экономике и технике изложены в работах Г. Н. Дюбина, В. Г. Суздаля, H.H. Воробьёва, Э. Мулена. Применительно к радиотехнике теория игр рассматривается в работах В. К. Маригодова, В. Ф. Крапивина, В. Г. Радзиевского, A.A. Сироты. Однако теория игр используется в основном для решения задачи борьбы с помехами за счёт их режекции, а не для управления режимами работы.

Практическая реализация предлагаемых решений делает необходимым разработку соответствующих программно-аппаратных средств. Необходимы также средства проверки, отладки разрабатываемых устройств и моделирования процессов в ЦСР.

Цель работы: разработка и научное обоснование технических и методических решений, направленных на эффективное использование ресурсов корреспондентских радиостанций, функционирующих в условиях сложной изменяющейся помеховой обстановки.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

— разработка и исследование математической модели ЦСР, которая учитывает наличие различного рода помех и шумов, нестационарность КС и управление режимами работы (УРР) ЦСР;

— разработка на основе теоретико-игрового подхода методики формирования стратегии УРР ЦСР при наличии противодействующего ей ИП;

— анализ эффективности использования теоретико-игрового подхода при формировании стратегии УРР ЦСР по сравнению со случайным их выбором;

— разработка, исследование и сравнительный анализ оптимальных и квазиоптимальных АОС, в том числе исследование влияния на результаты их работы отклонения распределений вероятности, используемых при принятии решений, от реальных распределений;

— определение условий, при которых квазиоптимальные АОС, обеспечивают результаты аналогичные или близкие оптимальным алгоритмам;

— практическая реализация и внедрение предложенных решений в виде программно-аппаратных средств корреспондентских КВ радиостанций;

— разработка для проверки предложенных решений программно-аппаратных средств проверки и отладки разрабатываемых устройств и средств моделирования процессов в ЦСР.

Объектом исследования являются: ЦСР, работающая в сложной, быстро изменяющейся помеховой обстановке, возможно при наличии радиоэлектронного противодействия, входящие в её состав корреспондентские радиостанции, характеризующиеся относительной ограниченностью вычислительных, аппаратурных и энергетических ресурсов, устройства обработки сигналов, управление режимами работы, устройства для контроля качества КС, средства моделирования и отладки.

Предметом исследования являются: математическая модель ЦСР, оптимальные и квазиоптимальные по критерию максимума апостериорной вероятности (MAB) АОС, методика формирования стратегии УРР ЦСР, алгоритмы моделирования сигналов и процессов в ЦСР, способы реализации предложенных алгоритмов и устройств в разрабатываемых средствах связи.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

При теоретических исследованиях использовались элементы теории вероятности, математический аппарат абстрактной алгебры и теории конечных матричных антагонистических игр, аппарат стохастических разностных уравнений в пространстве состояний, методы линейного программирования, теория кодирования, методы статистической радиотехники.

Экспериментальные исследования проводились путем имитационного моделирования процесса обработки принимаемой информации и натурных испытаний макетов, опытных и серийных образцов изделий, в которых реализованы результаты диссертационной работы. При этом проводились лабораторные испытания, испытания в местном эфире и на трассах до нескольких тысяч километров. При обработке результатов использовались элементы теории вероятности и математической статистики.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и сделанных выводов подтверждена сопоставлением разработанной математической модели с известными моделями при соответствующих допущениях, идентичностью результатов полученных расчётным путём и методами имитационного моделирования для разработанных АОС, экспериментальной проверкой и внедрением результатов исследований в серийные изделия.

Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях теории вероятности, теории игр, статистической радиотехники и информатики.

Работоспособность, техническая новизна и практическая полезность разработанных устройств обработки принимаемых сигналов и контроля качества КС подтверждена 4-я авторскими свидетельствами на изобретения. Достоверность полученных результатов подтверждена также государственными испытаниями и опытом эксплуатации серийно выпускаемых радиостанций «Р-353С», «Р-353СМ», «Р-353СП», «Р-353СПМ», «Маковка-1», в программном обеспечении которых реализованы результаты работы.

На защиту выносятся теоретические разработки и научно обоснованные технические решения, внедрение которых во многом определило построение тракта обработки ряда корреспондентских КВ радиостанций и позволяет формировать их стратегию УРР, в том числе:

— математическая модель ЦСР, которая учитывает наличие различного рода шумов и помех, нестационарность КС и УРР ЦСР;

— решение на основе математического аппарата матричных антагонистических игр задачи формирования стратегии УРР ЦСР с целью получения максимального гарантированного выигрыша для случая, когда ЦСР и ИП имеют ограниченный набор режимов и можно определить количественную оценку выигрыша для всех их сочетаний;

— исследование и сравнительный анализ оптимальных и квазиоптимальных по критерию MAB АОС для кодов с постоянным весом, разработанных на основе предложенной модели;

— структурные схемы оригинальных устройств цикловой синхронизации, декодирования, контроля качества КС, предназначенных для приёма ЧВС;

— аппаратно-программный комплекс для моделирования сложных сигналов в условиях замираний и аддитивных помех, в том числе оригинальный алгоритм моделирования замирающего сигнала;

— научно-обоснованные технические решения, обеспечившие программную реализацию разработанных устройств и алгоритмов в ряде корреспондентских КВ радиостанций.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана математическая модель ЦСР, которая учитывает множество различных ошибок и помех, нестационарность КС и управление режимами работы;

— предложена методика формирования стратегии УРР ЦСР на основе математического аппарата матричных антагонистических игр;

— разработан оптимальный по критерию MAB алгоритм обработки сигнала, учитывающий нестационарность КС и УРР ЦСР;

— проведено научное обоснование применения в корреспондентских радиостанциях квазиоптимальных АОС, учитывающих структурные особенности используемых сигналов;

— разработан оригинальный алгоритм моделирования замирающего сигнала, учитывающий как случайный характер распределения значений отсчётов сигнала, так и корреляцию между соседними отсчётами.

Практическую ценность представляют:

— предложенная математическая модель ЦСР;

— результаты исследования предложенной модели, позволяющие сократить объём исходных данных и расчётов;

— методика формирования стратегии УРР ЦСР;

— разработанные АОС, а также выводы сравнительного анализа, показывающие преимущества и недостатки рассмотренных алгоритмов и условия, при которых оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы обеспечивают равные результаты;

— программные и аппаратные средства, позволяющие формировать стратегию УРР, синтезировать АОС и проверять их работоспособность на стадии проектирования и в составе изделия;

— разработанные оригинальные структурные схемы устройств цикловой синхронизации и декодирования сообщений, передаваемых ЧВС, в которых реализованы предложенные квазиоптимальные АОС, при этом декодирование реализовано как декодирование в целом;

— разработанные оригинальные структурные схемы устройств для контроля качества КС, которые для определения местоположения ошибок используют структурные особенности ЧВС;

— технические решения, позволившие осуществить программную реализацию предложенных алгоритмов в корреспондентских КВ радиостанциях.

Реализация и внедрение работы. Результаты работы использовались на ОАО «Сарапульский радиозавод» и в учебном процессе Ижевского государственного технического университета в лекционных курсах «Основы теории систем связи с подвижными объектами», «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС».

Диссертационная работа основана на результатах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных по постановлению Правительства РФ, приказам министерства промышленности средств связи СССР, по планам НИОКР министерства образования РФ, научно-технической программе «Промышленные технологии» (раздел «Электроника», подраздел «Применение микропроцессорной техники»), научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограмма «Электроника», раздел «Радиоэлектронные компоненты и устройства»).

Подавляющее большинство результатов диссертационной работы получено в ходе разработки серийно выпускавшихся и выпускаемых в настоящее время радиостанций «Р-353С», «Р-353СМ», «Р353-СП», «Р353-СПМ», «Маковка-1». Серийный выпуск радиостанции «Маковка-1» последней из этого ряда начат в 2004 году. Результаты, представленные в работе, использовались при разработке программного обеспечения и алгоритмов работы перечисленных радиостанций: программных декодеров, кодеров, устройств синхронизации, интерфейсов оператора, алгоритмов управления и программного обеспечения автоматических сеансов.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на: Научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке» (Ижевск, ИжГТУ, 2004 г.), Военно-научных конференциях (г.Москва, 2002 и 2004 г. г.) — IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, ИжГТУ, 2003 г.), IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика — 2002» (Москва, МИЭТ, 2002 г.) — XXXII и XXXI Научно-технических конференциях ИжГТУ (Ижевск, 1998 и 2000 г.г.) — 54 научной сессии, посвященной дню Радио (Москва, 1999 г.) — Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза,.

ПГТУ, 1998 и 1997гг.) — Международной научно-технической конференции «Проблемы системного обеспечения качества продукции промышленности» (Ижевск, ИжГТУ, 1997 г.) — Научно-технической конференции «Ученые ИжГТУ — производству» (Ижевск, 1996 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Конструктивно-технологическое обеспечение качества микрои радиоэлектронной аппаратуры при проектировании и в производстве» (Ижевск, 1988 г.) — Республиканской научно-практической конференции «Молодёжь Удмуртии-ускорению научно-технического прогресса» (Ижевск, 1987 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 39 научных работ, в том числе 2 статьи в научно-технических журналах, одна из них в центральной печати, 15 тезисов докладов на всесоюзных, российских и международных научно-технических конференциях и семинарах. Новизна технических решений, предложенных автором, защищена 4 авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Структура и объем диссертации

Объем и результаты проделанной работы отражаются в диссертации, состоящей из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Введение

содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.

Первая глава посвящена разработке математической модели ЦСР. Проведён анализ процессов в ЦСР. Основываясь на выбранном представлении сигналов и помех, разработана математическая модель ЦСР в виде разностных уравнений в пространстве состояний. Проведено исследование предложенной модели. Определены условия, при которых она сводится к известным моделям, и возможности сокращения объёма исходных данных и вычислений.

Во второй главе проведено научное обоснование применения квазиоптимальных АОС, учитывающих структурные особенности используемых в корреспондентских радиостанциях сигналов. Синтезированы оптимальные и квазиоптимальные АОС для стационарного и нестационарного канала при отсутствии управления. Правила получены для систем типа М и М+1. Выведены формулы для оценки вероятности правильного и ошибочного приёма и отказа от принятия решения. Определены условия, при которых оптимальный по критерию МАВ алгоритм сводится к более простым квазиоптимальным алгоритмам. Проведены исследование и сравнительный анализ алгоритмов.

В третьей главе решается задача формирования стратегии УРР ЦСР. Получены правило принятия решения и соответствующие формулы для вероятности правильного приёма, учитывающие возможность управления режимами работы ЦСР и нестационарность КС. Показано, что процесс передачи информации в ЦСР при наличии противодействующего ей источника помех можно представить как конфликт между ними. Для формализации описания конфликта использован аппарат конечных матричных антагонистических игр. Получено решение игры и определены смешанные стратегии ЦСР и источника помех для нескольких видов матриц выигрышей. Произведена оценка эффективности использования теоретико-игрового подхода при формировании стратегии УРР.

В четвертой главе рассматриваются практическая реализация предложенных решений в виде программно-аппаратных средств, а также средства их проверки и отладки. Приведены структурные схемы разработанных устройств. Описаны способы реализации полученных решений в виде программного обеспечения ряда корреспондентских КВ радиостанций. Рассмотрен программно-аппаратный комплекс для моделирования процесса передачи в условиях замираний сигнала и аддитивных помех.

В заключение перечислены основные результаты работы.

Работа выполнялась на кафедре «Радиотехника» в течение многих лет. Основные результаты получены в ходе выполнения ряда ОКР, направленных на создание корреспондентских КВ радиостанций. Работа выполнена под руководством заведующего кафедрой профессора Хворенкова В. В., оказавшего огромное влияние на решение всех вопросов, затронутых в диссертации. Большую помощь в постановке задач и обсуждению полученных решений оказал профессор Климов И. З. Трудно переоценить роль Главного конструктора отмеченных выше ОКР Лихарева В. М. при практической реализации полученных решений. Выражаю сердечную благодарность всем этим людям за оказанную помощь и сотрудничество.

9. Результаты работы внедрены в серийные корреспондентские КВ радиостанции «Р-353С», «Р-353СМ», Р-353СП, Р-353СПМ, «Маковка-1». Они использовались при разработке программных декодеров, кодеров, алгоритмов управления и программно обеспечения автоматических режимов работы. Опыт эксплуатации и неоднократные испытания указанных радиостанций подтверждают эффективность выбранных решений и правильность выводов, сделанных в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе предложены и научно обоснованны технические решения задач обработки принимаемых сигналов и управления режимами работы, позволяющие эффективно использовать имеющиеся функциональные и вычислительные ресурсы корреспондентских радиостанций.

1. Разработана математическая модель ЦСР, представляющая систему разностных стохастических уравнений наблюдения и состояния ЦСР и источника помех, которая позволяет учесть множество различных видов помех, нестационарность канала связи и управление режимами работы ЦСР. Рассмотрены возможности сокращения объёма исходных данных и расчётов. Показано, при каких условиях предложенная модель сводится к известным моделям, что доказывает её достоверность.

2. Решена задача формирования стратегии управления режимами работы ЦСР при наличии противодействующего ей источника помех. Задача решена для случая, когда ЦСР и источник помех имеют конечный набор режимов работы, и можно указать количественные оценки ситуаций, соответствующие всем сочетаниям режимов. Использован аппарат конечных матричных антагонистических игр. Выбранная методика позволяет определить количественные значения показателей работы ЦСР, которые могут быть гарантированы при выборе оптимальной стратегии УРР.

3. Проведено исследование эффективности использования теории игр при формировании стратегии управления режимами работы для нескольких видов матрицы выигрышей. Сравнительный анализ использования теоретико-игрового подхода и равновероятного случайного выбора режимов показал преимущества первого. Выигрыш в математическом ожидании вероятности правильного приёма буквы в сложных ситуациях достигал 25%.

4. На основании предложенной модели ЦСР разработаны оптимальные по критерию МАВ АОС для стационарного и нестационарного КС, с учётом и без учёта управления режимами работы. Получены соответствующие формулы для вероятностей правильного и ошибочного приёма.

5. Проведено научное обоснование использования в корреспондентских радиостанциях квазиоптимальных АОС, учитывающих структурные особенности используемых ЧВС, в частности постоянный вес кодовых комбинаций. Определены условия, при которых квазиоптимальные алгоритмы обеспечивают результаты равные оптимальному алгоритму. Справедливость сделанных выводов подтверждена имитационным моделированием и расчётами. Квазиоптимальные АОС в отличие от оптимальных не требуют знания о распределениях вероятно-. сти, характеризующих источники сообщений и ошибок, исходных данных большого объёма и работают быстрее в 2−10 раз.

6. Реализованный в программном обеспечении радиостанций декодер букв, использующий квазиоптимальный АОС для кодов с постоянным весом, при вероятности ошибки в символе 0,1 обеспечивает вероятность ошибки ниже 10″ 4, при вероятности отказа от принятия решения порядка 10″ 3. При длине радиограмм 1000 букв и возможности нескольких повторов радиограммы это даёт практически 100%-ый результат работы декодера.

7. Разработаны оригинальные структурные схемы устройств цикловой синхронизации, декодирования и контроля качества КС, использующие структурные особенности ЧВС. Устройства реализуют квазиоптимальные алгоритмы, предложенные в работе. Дополнительная особенность — реализация декодирования в целом. Устройства защищены авторскими свидетельствами, что подтверждает их новизну и работоспособность.

8. Разработан аппаратно-программный комплекс для имитационного моделирования сложных сигналов в условиях замираний, шумов и аддитивных помех, в том числе оригинальный алгоритм моделирования замирающего сигнала. Комплекс использовался на стадии проектирования и в качестве проверочного стенда на производстве.