Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Процедуры формирования адаптивных к мешающим факторам радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для систем передачи информации

Диссертация: Процедуры формирования адаптивных к мешающим факторам радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для систем передачи информации
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Таким образом, обоснована структура формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, позволяющая за счет перестройки двух параметров осуществлять плавное изменение спектральных и энергетических характеристик. Данный подход позволил объединить формирователи широко распространенных современных видов модуляции в одном программно-управляемом устройстве УФРУМС… Читать ещё >

Процедуры формирования адаптивных к мешающим факторам радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для систем передачи информации (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУРЫ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КВАДРАТУРНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ
    • 1. 1. Вводные замечания
    • 1. 2. Аппроксимация радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими последовательностями зависимых" импульсов
      • 1. 2. 1. Обоснование представления радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе последовательностей «зависимых» импульсов
      • 1. 2. 2. Минимизация ошибки формирования РОР8К-сигналов
    • 1. 3. Разработка формирователя СРМ-сигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими
    • 1. 4. СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОСИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КВАДРАТУРНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ
      • 1. 4. 1. Расчет спектра радиосигнала с управляемой связью между квадратурными составляющими
      • 1. 4. 2. Расчет пик-фактора сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
      • 1. 4. 3. Анализ спектральных и энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
    • 1. 5. Синтез радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими по двум показателям качества
      • 1. 5. 1. Минимизация полосы частот радиосигнала
      • 1. 5. 2. Минимизация пик-фактора радиосигнала
      • 1. 5. 3. Синтез радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими по комбинированному критерию качества
    • 1. 6. Помехоустойчивость сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
      • 1. 6. 1. Оценка помехоустойчивости
      • 1. 6. 2. Синтез оптимального устройства детектирования сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
      • 1. 6. 3. Анализ помехоустойчивости сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
    • 1. 7. Выводы
  • 2. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУРЫ ДВУХКРИТЕРИАЛЬНОГО, АДАПТИВНОГО К ДЕЙСТВУЮЩИМ ПОМЕХАМ СИНТЕЗА РАСШИРЯЮЩЕЙ КОДОВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ СИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КВАДРАТУРНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ
    • 2. 1. Вводные замечания
    • 2. 2. Разработка быстрой процедуры расчета спектральной плотности мощности для сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при расширении спектра
    • 2. 3. Обоснование критерия приближения и выбор процедуры оптимизации расширяющих КП
      • 2. 3. 1. Обоснование критерия качества приближения расширяющей КП
      • 2. 3. 2. Выбор процедуры оптимизации расширяющей КП для сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при расширении спектра
    • 2. 4. Процедура спектральной оценки помеховой обстановки
      • 2. 4. 1. Разработка двухуровневой процедуры спектральной оценки помеховой обстановки
      • 2. 4. 2. Обоснование выбора параметров процедуры оценки помеховой обстановки
      • 2. 4. 3. Исследование эффективности разработанной процедуры спектральной оценки помеховой обстановки
    • 2. 5. Прием сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при четырехфазной передаче двоичного информационного потока
    • 2. 6. Анализ эффективности функционирования предложенной процедуры синтеза КП
      • 2. 6. 1. Исследование эффективности подавления узкополосных помех для сигналов УФРУМС в режиме Р<2Р8К
      • 2. 6. 2. Исследование эффективности подавления ПОС и гармонических помех для сигналов УФРУМС в режиме Р ()Р8К
      • 2. 6. 3. Анализ влияния длины КП на степень подавления помех и величину УБВ АКФ для сигналов УФРУМС в режиме РОРБК
      • 2. 6. 4. Исследование эффективности подавления узкополосных помех для сигналов УФРУМС в режиме СМБК
    • 2. 7. Выводы
  • 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТАННЫХ ПРОЦЕДУР ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ
    • 3. 1. Вводные замечания
    • 3. 2. Аппаратно-программная реализация устройства формирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
    • 3. 3. Экспериментальные исследования характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
      • 3. 3. 1. Экспериментальное определение скорости передачи разработанного макета
      • 3. 3. 2. Экспериментальное исследование спектральных характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
      • 3. 3. 3. Экспериментальное исследование энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
    • 3. 4. Исследования по реализации процедуры адаптивного к действующим помехам синтеза кодовой последовательности
      • 3. 4. 1. Анализ влияния разрядности представления данных на эффективность процедуры синтеза кодовой последовательности
      • 3. 4. 2. Обоснование рекомендаций по выбору элементной базы при реализации адаптивного к текущей ПО синтеза КП
      • 3. 4. 3. Реализация операции расширения спектра на основе устройства формирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими
    • 3. 5. Реализация адаптивной к текущей помеховой обстановке системы передачи информации
    • 3. 6. Выводы

Актуальность темы

В настоящее время из-за широкого распространения беспроводных систем передачи информации (СПИ) особое внимание уделяется вопросам электромагнитной совместимости различных радиотехнических устройств. Это обстоятельство обусловлено тем, что практически весь доступный для радиосвязи диапазон частот на сегодняшний день не только перекрыт, но и в достаточной мере перегружен. В связи с чем приходится разрабатывать новые типы радиосигналов, обеспечивающих повышение спектральной эффективности. Значительный вклад в развитие подобных спектрально эффективных видов модуляции внесли отечественные и зарубежные ученые Я. Д. Ширман, Л. Е. Варакин, Д. Е. Вакман, P.M. Седлецкий, Л. С. Гуткин, С. Б. Макаров, К. Шеннон, Г. Ван Трис, Ч. Кук, М. Бернфельд, Л. Френке и др. [1. .9].

Однако сужение полосы частот приводит к возникновению флуктуаций огибающей радиосигнала, что является причиной паразитной модуляции, имеющей место в нелинейных каскадах приемопередающего радиотракта [10, 11]. Данный эффект в свою очередь повышает уровень внеполосного излучения, ухудшая электромагнитную совместимость СПИ, использующих общий частотный ресурс. Для борьбы с паразитной модуляцией к настоящему моменту разработаны СРМи FQPSKсигналы [12, 13], использующие взаимную связь между синфазной и квадратурной составляющими комплексной огибающей. Подобный подход позволяет получать спектрально эффективные радиосигналы с постоянным или квазипостоянным уровнем огибающей, за счет чего данные виды модуляции получили широкое распространение в космических и спутниковых СПИ [14].

Данные виды модуляции являются узко специалируемыми [12. 14], то есть предназначены на применение в строго определенных условиях, что требует разработки уникальных приемопередающих модулей. Подобный подход накладывает естественные ограничения на свойства адаптации приемопередающего тракта к особенностям различных приложений. Поэтому при проектировании гибких программно-управляемых СПИ приходится расширять номенклатуру функциональных узлов, закладывая в программно-аппаратной части несколько модуляторов и демодуляторов, включаемых в зависимости от конкретных условий применения [15, 16]. Это в итоге приводит к увеличению массогабаритных показателей радиоаппаратуры и повышению энергетических затрат СПИ в целом. Таким образом, целесообразна разработка единого универсального программно-управляемого формирователя радиосигналов, способного генерировать РрРБКи СРМсигналы.

В ходе функционирования СПИ радиосигналы должны удовлетворять не одному, а совокупности требований таких, как минимизация полосы частот, максимизация помехоустойчивости, снижение энергетических затрат и т. п. [4, 17, 18]. Поэтому выбор параметров данного универсального формирователя должен происходить на основе теории двухкритериальной оптимизации [19]. Таким образом, актуальна задача разработки процедуры двухкритериального выбора параметров универсального программно-управляемого формирователя радиосигналов. Данный подход позволит получать новые виды радиосигналов, комбинирующие различные свойства известных типов модуляции.

Современные виды радиосигналов базируются в основном на эмпирических подходах и поэтому зачастую не подкрепляются математическим аппаратом, позволяющим исследовать в аналитическом виде спектральные и энергетические характеристики, а также помехоустойчивость проектируемой СПИ [20]. Как известно [7], для решения задач синтеза оптимальных устройств приема, а также получения радиосигналов с заданными критериями качества требуется разработать строгое математическое описание спектральных и энергетических свойств данных видов модуляции. Для этого необходимо отталкиваться от общего принципа взаимной связи синфазной и квадратурной составляющих СРМи РС^РЭКсигналов. В качестве такого обобщающего начала актуально рассмотреть аппарат управляемой связи между квадратурными составляющими, который позволит получить в аналитическом виде общие выражения для спектра, пик-фактора, а также вероятности приема ошибочного бита для современных спектрально эффективных радиосигналов.

В настоящее время при реализации защищенных СПИ используют шумо-подобные сигналы, обеспечивающие высокую по сравнению с простыми радиосигналами помехоустойчивость и скрытность радиолинии [2, 8]. При этом как показано в работах [21, 22] применение подобных сигналов позволяет производить адаптацию расширяющей кодовой последовательности (КП) к действующим мешающим факторам. Однако данный аппарат синтеза КП применим только к сигналам с двоичной фазовой манипуляцией и модуляцией с минимальным частотным сдвигом. Учитывая особенности данных видов радиосигналов полученные процедуры и алгоритмы не могут быть непосредственно использованы при формировании КП в современных СПИ, использующих новые спектрально эффективные виды модуляции. В связи с этим, актуальна задача разработки процедур адаптации к действующим помехам расширяющей КП для СРМи РС>Р8Ксигналов.

На практике процесс адаптации радиосигнала к текущей помеховой обстановки (ПО) в ходе функционирования минимизирует рассчитанный в спектральной области критерий приближения. Как известно [23, 24], данная задача является некорректно поставленной, поэтому разрабатываемые процедуры адаптации должны строятся с применением аппарата регуляризации, разработанного А. Н. Тихоновым.

На сегодняшний день формирование радиосигналов осуществляется на основе программно-аппаратной реализации приемо-передающего тракта [13]. При этом в виду ограниченности вычислительных ресурсов стараются сократить разрядность представления операндов и частоту дискретизации, что в свою очередь приводит к искажениям характеристик генерируемых сигналов. В связи с этим актуальна задача проведения исследований по оценке устойчивости разрабатываемых процедур формирования радиосигналов к подобного рода искажениям. Также для анализа потенциальной реализуемости на основе современной элементной базы предлагаемого универсального устройства формирования радиосигналов необходимо провести макетирование передающего модуля.

Цель работы. Целью данной работы является разработка двухкритериаль-ных процедур формирования спектрально и энергетически эффективных видов радиосигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими для адаптации к мешающим факторам СПИ.

Поставленная цель работы включает решение следующих задач:

1 Разработать процедуру формирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе последовательностей «зависимых» импульсов для аппроксимации семейств СРМи РС>Р8К-сигналов.

2 Получить и проанализировать аналитические зависимости для расчета спектра, а также спектральных и энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

3 Обосновать комбинированный критерий качества, учитывающий требования на спектральную и энергетическую эффективность радиолинии, и процедуру синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

4 Провести анализ помехоустойчивости с учетом заданных требований на занимаемую полосу частот и уровень флуктуаций огибающей, а также разработать структуру оптимального приемника на основе представления радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими посредством конечного автомата.

5 Разработать эффективную процедуру расчета спектра радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе структурных особенностей данного класса модуляции при четырехфазной передачи бинарного информационного потока в режиме прямого расширения спектра.

6 Обосновать комбинированный критерий приближения, регуляризирую-щий задачу минимизации за счет дополнительных ограничений, накладываемых на автокорреляционную функцию (АКФ) сигнала, и выбрать процедуру оптимизации расширяющей КП для синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающих за счет структурных особенностей дополнительное подавление действующих помех.

7 Провести макетирование универсального формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе современной элементной базы, включающей цифровой сигнальный процессор (ЦСП) и микросхему цифрового синтеза сигналов (МЦСС).

8 Проанализировать устойчивость разрабатываемых процедур адаптивного к действующим помехам синтеза радиосигналов к разрядности представления операндов при аппаратно-программной реализации на основе ЦСП и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Методы проведения исследований. В ходе работы использовались методы функционального и спектрального анализа, статистической радиотехники, математической статистики, а также вариационного счисления. Перечисленные теоретические методы сочетались с имитационным моделированием и натурными испытаниями на основе действующего макета универсального формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

Научная новизна. В рамках диссертационной работы получены новые научные результаты:

1 Предложено общее представление ОМЖ- (при ВТЬ е [0,26- 0,6]) и Р (^Р8К-сигналов на основе радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающее ошибку приближения по углу не более 5°, а по амплитуде менее 0,5 дБ, при этом достигается уменьшение уровня внеполосного излучения за счет снижения на 3 дБ и более в случае ОМЭК-сигналов первых боковых лепестков спектральной плотности мощности (СПМ), и увеличения скорости спада внеполосного излучения на 20 дБ/дек в случае БС>Р8К-сигналов.

2 Получены в аналитическом виде выражения для СПМ, спектральных и энергетических характеристик, а также помехоустойчивости радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

3 Разработана процедура синтеза по комбинированному критерию качества радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, позволяющая варьировать полосу частот радиосигнала в пределах 28%, а уровень флуктуаций огибающей — до 1,9 дБ.

4 Разработана эффективная процедура расчета СПМ радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при реализации четырехфазной передачи двоичного информационного потока в режиме ОМБК-и БС>Р8К-сигналов, обеспечивающая сокращение вычислительных затрат в 2 раза по сравнению с математическим моделированием.

5 Разработана процедура двухкритериального, адаптивного к текущей ПО синтеза КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающая дополнительное по сравнению со случаем применения псевдослучайных последовательностей той же длины подавление полосовых помех на 9 дБ, узкополосных — на 11 дБ и гармонических — на 25 дБ и более.

Достоверность. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов обеспечивается количественным сопоставлением результатов имитационного моделирования с известными положениями теории обработки сигналов. Кроме того, адекватность приведенных аналитических выражений для расчета спектральных и энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, а также реализуемость разработанного универсального формирователя GMSKи FQPSK-сигналов подтверждается результатами проведенного в третьей главе эксперимента на макете.

Практическая ценность. Разработанный программно-управляемый универсальный формирователь GMSKи FQPSK-сигналов может быть использован в современных и перспективных СПИ, так как является совместимым с рядом стандартов мобильной, спутниковой и космической связи. Предложенные процедуры двухкритериального, адаптивного к действующей ПО синтеза КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при внедрении в перспективные СПИ позволят повысить электромагнитную совместимость и помехозащищенность радиолиний в условиях динамично изменяющихся мешающих факторов.

Результаты диссертационной работы нашли применение в действующей аппаратуре ОАО «Российские космические системы», что подтверждено соответствующим актом о внедрении, а также внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Двухкритериальная процедура синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для получения требуемых спектральных и энергетических характеристик СПИ, позволяющая варьировать полосу частот радиосигнала в пределах 28%, а уровень флуктуаций огибающейдо 1,9 дБ.

2 Двухкритериальная процедура адаптивного к текущей ПО синтеза КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающая дополнительное по сравнению с применением псевдослучайных последовательностей той же длины подавление помех с ограниченным спектром (ПОС) на 9 дБ, узкополосных — на 11 дБ и гармонических — на 25 дБ и более.

3 Универсальный формирователь радиосигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими, в частности для ОМ8Ки БС^РБК-сигналов, обеспечивающий в случае ОМ8К уменьшение на 3 дБ уровня первых боковых лепестков СПМ и увеличение скорости спада внеполосного излучения на 20 дБ/дек для БС>Р8К.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1 15-я и 16-я Международные научно-технические конференции «Проблемы передачи информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, 2008, 2010 гг.

2 34-я Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные и телекоммуникационные технологии. Подготовка специалистов для инфо-коммуникационной среды». Рязань, 2009 г.

3 14-я, 15-ая и 16-я Всероссийские научно-технические конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании». Рязань, 2009, 2010,2011 гг.

4 Международная конференция с элементами научной школы для молодёжи «Биотехнические, медицинские, экологические системы и комплексы». Рязань, 2009 г.

5 12-я и 13-я Международные конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Москва, 2010, 2011 гг.

6 9-я Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации (ПТСПИ-2011)». Владимир, 2011 г.

7 4-я Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Москва, 2011 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ. Среди них 2-е статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для кандидатских диссертаций, 1-а статья в межвузовском сборнике, 12 тезисов докладов на конференциях, а также 2-а научно-технических отчета по НИР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 103-х наименований и 3-х приложений. Диссертация содержит 199 страницы, в том числе 126 страниц основного текста, и 58 рисунков.

Основные результаты диссертации можно сформулировать в следующем виде:

1 Предложено общее представление ОМЭК- (при ВТЪ е [0,26- 0,6]) и РС) Р8К-сигналов на основе радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающее ошибку приближения по углу не более 5°, а по амплитуде не более 0,5 дБ, при этом обеспечивается уменьшение уровня внеполосного излучения за счет снижения на 3 дБ и более в случае ОМ8К-сигналов первых боковых лепестков СПМ, и увеличения скорости спада внеполосного излучения на 20 дБ/дек в случае РС) Р8К-сигналов.

2 Получены в аналитическом виде выражения для частотного спектра, спектральных и энергетических характеристик, а также помехоустойчивости радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

3 Показано, что радиосигналы с управляемой связью между квадратурными составляющими позволяют на 50% варьировать ширину главного лепестка спектра перестройкой двух параметров, обеспечивая скорость спада внеполосного излучения на уровне 60 дБ/дек.

4 Разработана процедура синтеза по комбинированному критерию качества радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, позволяющая варьировать полосу частот радиосигнала в пределах 28%, а уровень флуктуаций огибающей — до 1,9 дБ.

5 Показано, что оптимальный по критерию минимума вероятности битовой ошибки прием сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими обеспечивается алгоритмом Витерби, на основе которого разработана структурная схема устройства детектирования сигналов, генерируемых УФРУМС.

6 Доказано, что в случае объединения множества синтезированных сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими с подмножеством реализуемых на УФРУМС ОМ8К-сигналов возможно управлять помехоустойчивостью в диапазоне Еь / ]У0 е [6,4- 7,2] дБ (Ре = 10~3), исходя из компромисса между уровнем флуктуаций огибающей и полосой частот радиосигнала.

7 Разработана эффективная процедура расчета СПМ радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при реализации четырехфазной передачи двоичного информационного потока в режиме ОМЗК-и Р (2Р8К-сигналов, обеспечивающая сокращение вычислительных затрат в 2 раза по сравнению с математическим моделированием.

8 Обосновано применение в процедуре адаптивного синтеза КП критерия приближения, позволяющего управлять степенью подавления действующих помехи корреляционными свойствами полезного радиосигнала, а также включающего нелинейность, которая повышает эффективность перераспределения энергии полезного радиосигнала между «чистыми» и зашумленными участками спектра. Данный подход обеспечивает увеличение выигрыша в подавлении помех порядка 8 дБ и 6 дБ для режимов БРС^К и ОМ8К соответственно.

9 Доказано методами вариационного исчисления, что выбор «эталонного» спектра на основании критерия максимума отношения сигнал-помеха на выходе оптимального приемника соответствует в частном случае решению, полученному К. Шенноном, для задачи максимизации пропускной способности радиоканала СПИ.

10 Показано, что оптимальной в плане компромисса между быстродействием и точностью приближения к области глобального оптимума является блочная процедура, характеризуемая наибольшей среди рассмотренных устойчивостью решений к выбору начальных условий, форме «эталонного» спектра и смене вида модуляции полезного радиосигнала.

11 Разработана процедура двухкритериального, адаптивного к текущей ПО синтеза КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающая дополнительное по сравнению с псевдослучайными последовательностями той же длины подавление ПОС на 9 дБ, узкополосных — на 11 дБ и гармонических — на 25 дБ и более.

12 Доказано, что режим FQPSK функционирования УФРУМС более предпочтителен так, как позволяет обеспечить большее (выигрыш порядка 5 дБ) по сравнению со случаем GMSK-сигналов подавление помех при меньшем (выигрыш более 7%) среднеквадратическом значении УБВ АКФ.

13 Разработан макет УФРУМС на основе оценочных плат ЦСП BF537 и МЦСС AD9957, позволяющий обеспечить скорость передачи информационного потока до 1 Мбит/с при уровне флуктуаций огибающей порядка 1,2 дБ и до 400 кбит/с при значении пик-фактора менее 0,5 дБ.

14 Доказано, что при практической реализации радиосигналы с управляемой связью между квадратурными составляющими удовлетворяют требованиям по уровню внеполосного излучения в соответствии с рекомендациями Комитета CCSDS (спектральная маска SFCG для низкоскоростных приложений) и нормами Государственной комиссии по радиочастотам, предъявляемым к системам с кодовым разделением каналов гражданского назначения.

15 Показано, что при реализации адаптивного к действующей ПО синтеза КП достаточным является 16-значное представление операндов. Доказано, что уменьшение разрядной сетки до 12 бит позволяет производить адаптацию КП длиной не более 512 элементов при выигрыше в аппаратных ресурсах на реализацию умножения более чем на 50% и на 25% для операций сложения. При этом проигрыш в коэффициенте подавления помехи составляет менее 15%.

16 Обосновано при практической реализации процедур оценки ПО и оптимизации КП совместное использование ЦСП и ПЛИС. Показано, что данный подход за счет распараллеливания вычислений позволяет сократить время вычисления 1024 точечного БПФ более чем в 150 раз. Сформулированы требования к вычислительным ресурсам элементной базы, которым удовлетворяют ЦСП BF 537 и ПЛИС XC3S5000.

17 Доказано, что на основе разработанного макета УФРУМС достижима скорость передачи информационного потока в режиме прямого расширения спектра порядка 3,5 кбит/с при выборе частоты дискретизации, соответствующей Мс -12.

Таким образом, обоснована структура формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, позволяющая за счет перестройки двух параметров осуществлять плавное изменение спектральных и энергетических характеристик. Данный подход позволил объединить формирователи широко распространенных современных видов модуляции в одном программно-управляемом устройстве УФРУМС, а также дал возможность получать новые типы радиосигналов с заданными свойствами. Это позволяет повысить надежность и помехозащищенность СПИ, за счет сокращения необходимого числа элементов, а также адаптировать сигналы к конкретным условиям функционирования приемопередающего тракта. Разработанная процедура двухкритериального, адаптивного к текущей ПО синтеза КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими обеспечивает дополнительное по сравнению с псевдослучайными последовательностями подавление действующих узкополосных, гармонических помех и ПОС. Проведенные исследования с использованием макетирования и имитационного моделирования доказали практическую реализуемость предложенных в диссертации двухкритериальных процедур формирования спектрально и энергетически эффективных видов радиосигналов для адаптивных к мешающим факторам СПИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе работы над диссертацией были разработаны двухкритериаль-ные процедуры формирования на основе управляемой связи между квадратурными составляющими спектрально и энергетически эффективных видов радиосигналов для адаптивных к мешающим факторам СПИ, позволяющие объединить в одном универсальном программно-управляемом устройстве формирователи СРМи FQPSK-сигналов.

В первой главе работы было разработано единое представление современных спектрально и энергетически эффективных сигналов посредством управляемой связи между квадратурными составляющими, образованной последовательностями «зависимых» импульсов. На основе данного представления были получены в аналитическом виде выражения для расчета СПМ, спектральных и энергетических характеристик, а также помехоустойчивости GMSKи FQPSK-сигналов. С использованием этих зависимостей проведен двухкритериальный синтез, в результате которого разработана процедура формирования на УФ-РУМС радиосигналов с заданными спектральными и энергетическими свойствами. Разработана единая схема оптимального по критерию минимума вероятности битовой ошибки приема GMSKи FQPSKсигналов, реализованных на основе управляемой связи между квадратурными составляющими. Также доказано, что в случае объединения множества синтезированных сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими с подмножеством реализуемых на УФРУМС GMSK-сигналов возможно управлять помехоустойчивостью СПИ, исходя из компромисса между уровнем флуктуаций огибающей и полосой частот радиосигнала. Это позволяет адаптировать УФРУМС под конкретные условия функционирования с учетом доступного частотного ресурса и режимом работы оконечных каскадов радиопередающего тракта.

Во второй главе работы были разработаны процедуры двухкритериального адаптивного к действующей ПО синтеза расширяющей КП радиосигналов, генерируемых УФРУМС в режиме четырехфазиой передачи двоичного информационного потока. При этом для реализации процесса адаптации в реальном масштабе времени предложена эффективная процедура расчета СПМ в области полосы частот радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими. Обоснован критерий приближения, регуляризирующий задачу синтеза КП с заданной формой СПМ за счет учета дополнительных требований на АКФ радиосигналов, генерируемых УФРУМС. Также была разработана процедура спектральной оценки ПО на основе БПФ, которая позволяет производить параллельный анализ действия мешающих факторов для двух частотных диапазонов — в целях выбора рабочего диапазона частот и проведения синтеза расширяющей КП. На основе результатов имитационного моделирования взаимодействия процедур спектральной оценки ПО и оптимизации КП была обоснована процедура выбора управляющих параметров адаптивного синтеза КП для формирования радиосигналов с заданным уровнем подавления действующих помех и УБВ АКФ. Разработанная алгоритмическая база позволяет в реальном масштабе адаптировать СПИ к изменениям в текущей ПО, обеспечивая повышение помехозащищенности радиолинии.

В третьей главе было проведено макетирование разработанного УФРУМС на современной элементной базы с использованием оценочных плат ЦСП и МЦСС. На основе полученной программно-аппаратной реализации устройства формирования проведены исследования по влиянию частоты дискретизации на спектральные и энергетические характеристики генерируемых сигналов. Также методом имитационного моделирования проанализировано влияние разрядности представления данных на эффективность функционирования адаптивного к действующей ПО синтеза КП. На основе полученных данных сформулированы рекомендации по выбору аппаратной части для реализации процедуры адаптации. Проведенный анализ доказал возможность построения перспективных СПИ, включающих разработанные двухкритериальные процедуры формирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Сов. радио, 1974. -360 с.
  2. JI.E. Теория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970. — 375 с.
  3. Д.Е., Седлецкий P.M. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1973.
  4. JI.C. Теория оптимальных методов радиоприёма при флуктуа-ционных помехах. М.: Сов. радио, 1972. 448 с.
  5. С.Б., Цикин И. А. Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания. М.: Радио и связь, 1988.-304 с.
  6. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том I. Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции. М.: «Советское радио», 1972. -744 с.
  7. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы: Пер. с англ. М.: Сов. радио, 1971.-568 с.
  8. JI. Теория сигналов. Пер. с англ./ Под ред. Д. Е. Вакмана. М.: Сов. радио, 1974.-344 с.
  9. С.Б., Попов Е. А. Распределение значений комплексной огибающей случайной последовательности многопозиционных спектрально-эффективных сигналов // Радиотехника, 2001, № 1, С. 72 78.
  10. Л.А., Дронов Д. В. Нелинейные эффекты при амплитудно-фазовом преобразовании в усилителе мощности спутникового ретранслятора // Радиотехника, 2005, № 11, С.97−100.
  11. Simon М.К. Bandwidth-Efficient Digital Modulation with Application to Deep-Space Communications. JPL Publication 00−17, June 2001. 237 p. — Режим доступа: http://descanso.jpl.nasa.gov/Monograph/series3/complete 1 .pdf.
  12. К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. М.: Радио и связь, 2000. — 520 с.
  13. Report Concerning Space Data System Standards. Radio Frequency and Modulation Systems Part 1: Earth Stations and Spacecraft. Blue Book. Issue 20. April 2009 // Режим доступа: http://public.ccsds.org/publications/archive/401×0Ь20есЗ .pdf.
  14. Arad Naveh. Programmable rate modem utilizing digital signal processing techniques // NASA. Lewis Research Center, Advanced Modulation and Coding Technology Conference, 1992, p. 177−199.
  15. Dennis Lee, Andrew A Gray, Edward C. Kang, Haiping Tsou, Norman E. Lay, Wai Fong, Dave Fisher, Scott Hoy. A gigabit-per-second Ka-band Demonstration using a reconfigurable FPGA modulator // IEEE Aerospace Conference, Big Sky, Montana, March 5−12, 2005.
  16. C.H., Поспелов A.B. Многокритериальный синтез элементарного импульса сигналов с квадратурной фазовой манипуляцией со смещением для систем радиосвязи // Электросвязь, 2003. № 9. С. 10−12.
  17. С.Н. Многокритериальный синтез реализуемых сигналов и устройств обработки с учетом мешающих факторов в радиотехнических системах: дис. док. техн. наук. Рязань, 1997. — 460 с.
  18. Л.С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности показателей качества. М.: Сов. радио, 1975. — 368 с.
  19. Дж. Цифровая связь. Пер. с англ./ Под ред. Кловского Д. Д. -М.: Радио и связь, 2000. 800 с.
  20. С.Н., Поспелов А. В., Поспелов В. А. Ускоренная процедура синтеза сигналов с расширением спектра в беспроводных сетях // Проблемы автоматизированного проектирования: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 1998. С.59−61.
  21. А.В. Двухэтапная процедура синтеза кодовых последовательностей // Вестник РГРТА, 2002. Вып. 10. С. 109−111.
  22. А.Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М: Наука, 1986.-288 с.
  23. А.Н., Гончарский А. В., Степанов В. В., Ягола А. Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986. — 288с.
  24. С.Б., Уланов A.M., Цикин И. А. Эффективность применения ограниченных по спектру зависимых сигналов при передаче дискретных сообщений / Электросвязь, № 5, 1988. С. 29−34.
  25. С.Б., Цикин И. А. Энергетические спектры случайных последовательностей сигналов с плавным изменением огибающей и фазы / Радиотехника и электроника, Т 35, № 4, 1990. С. 793−800.
  26. Kamilo Feher. Filter. United States Patent No. 4,339,724, issued Jul. 13, 1982.
  27. Shuzo Kato, Kamilo Feher. Correlated Signal Processor. United States Ptent No. 4,567,602, issued Jan 28, 1986.
  28. Jongsoo Seo, Kamilo Feher. Superposed quadrature modulation baseband signal processor. United States Patent No. 4,644,565, issued Feb. 17, 1987.
  29. Kamilo Feher. Modulation techniques for power and spectrally efficient SATCOM systems// NASA. Lewis Research Center, Advanced Modulation and Coding Technology Conference, 1992, p. 167−175.
  30. Kamilo Feher. Baseband pulse shaping techniques for nonlinearly amplified тг/4-QPSK and QAM systems // NASA. Lewis Research Center, Space Communications Technology Conference: Onboard Processing and Switching, 1991, p. 287−294.
  31. C.H., Покровский П. С. Программируемый модулятор для унифицированных систем передачи информации // МНТК «Проблемы передачи информации в сетях и системах телекоммуникаций»: Тез. докл. Рязань, 2008. С. 61−62.
  32. Янг Л. Лекции по вариационному исчислению и теории оптимального управления. Пер. с англ. М. Г. Элуашвили / Под ред. В. М. Алексеева. М.: Мир, 1974.-488 с.
  33. П.С. Программно-управляемый квадратурный формирователь радиосигналов для служб изучения космического пространства // ВНТК «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании»: Тез. докл. Рязань: РГРТУ, 2009. С. 324−325.
  34. С.Н., Покровский П. С. Программно-управляемый квадратурный формирователь спектрально эффективных видов радиосигналов на основе «зависимых» последовательностей импульсов // Вестник РГРТУ, № 2, выпуск 36, 2011.С. 24−27.
  35. H.C. Дифференциальное и интегральное исчисления: Учеб. для втузов. В 2-х т. ТII: М.: Интеграл-Пресс, 2005. — 544 с.
  36. Hodges M.R.L. The GSM radio interface / British Telecom Technological Journal, vol. 8, no. 1, Jan. 1990. P. 31−43 Режим доступа: http://www.telecom.cpehn.be/doc/fichiers/Hodges.pdf.
  37. Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT) — Common Interface (CI) — Part 2: Physical Layer (PHL) / ETSI EN 300 175−2 V2.3.1, June 2010. -66 p. Режим доступа: http://pda.etsi.org/exchangefolder/en 3 001 7502v020301 p.pdf.
  38. Satellite Mobile System Architectures. Report of The R&D Group of the Advanced Satllite Mobile System Task Force / Doc ASMS TG-Arch, ver. 2, 2002. -124 p. Режим доступа: http://cordis.europa.eu/ist/ka4/mobile/password/02/75 architecture report v2. pdf
  39. Report Concerning Space Data System Standards. Bandwidth-Efficient Modulations: Summary of Definition, Implementation, and Performance. Green Book. Issue 2. October 2009 // Режим доступа: http://public.ccsds.0rg/publicati0ns/archive/413x0g2.pdf.
  40. М.С. Спектры радиосигналов. М.: Связьиздат, 1963. — 312 с.
  41. C.JI. (мл.). Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. О. И. Хабарова, Г. А. Сидоровой- Под ред. И. С. Рыжака. М.: Мир, 1990. — 584 с.
  42. Welch P.D. The Use of Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra: A Method Based on Time Averaging Over Short, Modified Periodograms / IEEE Trans. Audio Electroacoustics, Vol. AU-15 (June 1967), pp. 70−73.
  43. П.С. Устойчивая процедура синтеза сигнального созвездия для создания универсальной системы передачи информации // Межвузовский сборник научных трудов «Информационные технологии». Рязань: РГРТУ, 2011. С. 122−126.
  44. Shanno D.F. Conditioning of Quasi-Newton Methods for Function Minimization // Mathematics of Computing, Vol. 24, 1970. P. 647−656.
  45. H.H., Иванилов Ю. П., Столярова E.M. Методы оптимизации. -М.: Наука, 1978.-352 с.
  46. Benedetto S. Principles of digital transmission: with wireless applications. -New York: Kluwer Academic / Plenum Publishers, 1999. 856 p.
  47. Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки / Пер. с англ. М.: Мир, 1986. — 576 с.
  48. А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования: Пер. с англ. / Под ред. К. Ш. Зигангирова. М.: Радио и связь, 1982. — 536 с.
  49. A.B., Бодров O.A. Многокритериальный синтез систем сложных дискретных сигналов // ВНТК «XXI Гагаринские чтения»: Тез докл. М. 1995. 4.5 С. 65.
  50. П.С. Процедура адаптивного к помеховой обстановке синтеза кодовой последовательности OQPSK- и MSK-сигналов для промышленных систем управления // Вестник РГРТУ, № 4, выпуск 34, 2010. С.43−50.
  51. П.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986.-512с.
  52. В.И., Гантмахер В. Е. Дискретнокодированные последовательности. Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского университета, 1990. -288 с.
  53. В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. — 624 с.
  54. O.A. Разработка эффективных по многим показателям качества процедур синтеза фазо- и частотноманипулированных сигналов в радиотехнических системах : дис. канд. техн. наук. Рязань, 2002. — 155 с.
  55. Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. -М.: Радио и связь, 1985.-384 с.
  56. С. Нейронные сети для обработки информации. М.: Финансы и статистика, 2002. — 344с.
  57. Л.С. Проектирование радиосистем и радиоустройств: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986. — 288 с.
  58. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью / В. И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев и др. М.: Радио и связь, 2003. -640 с.
  59. К. Вейвлет-анализ. Основы теории: Учеб. пособие для вузов. Пер с нем. под ред. А. Г. Кюркчана. М.: Техносфера. — 2006. — 272 с. (Мир математики «Цифровая обработка сигналов»)
  60. И.М., Иванов О. В., Нечитайло В. А. Вейвлеты и их использование / Успехи физических наук, Т. 171, № 5, 2001. С. 465−501.
  61. Марпл.-мл. С. JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. — 265 с.
  62. К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа: Пер. с англ. С. М. Смольского / Под ред. Ю. А. Гребенко М.: Горячая линия -Телеком, 2006. — 224 с.
  63. Poklemba J.J. Programmable digital modem / NASA. Lewis Research Center, Space Communications Technology Conference: Onboard Processing and Switching, Nov. 1, 1991, p. 263−271.
  64. Романов О. Blackfm разваитие продолжается // Chip news, 2007, № 3. С. 45−46.
  65. A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis / Analog Devices, 1999. -122 p.
  66. Fundamentals of Direct Digital Synthesis (DDS). Tutorial MT-085 / Analog Devices, 2008. 9 p.
  67. ADSP-BF537 Data Sheet Rev I / Analog Devices, 2010. 68 p. — Режим доступа: http://www.analog.com/static/imported-files/datasheets/ADSP-BF534 BF536 BF537.pdf.
  68. ADSP-BF537 Blackfm Processor Hardware Reference / Analog Devices, Part Number 82−555−01, March 2009. 1230 p.
  69. AD9957 Data Sheet Rev В / Analog Devices, 2010. 64 p. — Режим доступа: http://www.analog.com/static/imported-files/data sheets/AD9957.pdf.
  70. ADSP-BF53x/BF56x Blackfin Processor Programming Reference / Analog Devices, Part Number 82−556−01, Feb. 2006. 1034 p.
  71. Camp J.C., Mulvey J.P. Cascaded Comb Integrator Interpolating Filters. -United States Patent No. 5,592,517, issued Jan. 7, 1997.
  72. Warren L. Martin. FQPSK Developments Recommended for CCSDS Standardization by NASA JPL / ITC-2000. Электронный ресурс: http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/15 725/1/00−1443 .pdf.
  73. Нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения радиопередатчиков гражданского применения. Нормы 19−02 / Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ). М.: 2002. — 72 с.
  74. Charles J. Meyer. Measuring The Peak-to-Average Power of Digitally Modulated Signals / Boonton, Aplication Note AN-50, Apr. 1993. 5 p.
  75. Power Measurement Basics / Agilent Technologies Режим доступа: http://www.home.agilent.com/upload/cmcupload/All/BTBPowerBasics2005.pdf.
  76. RS FSV. Signal and Spectrum Analyzer: Operating Manual.- Munich, Germany: Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 2010. 855 p.
  77. RS RTO. Digital oscilloscope: User Manual.- Munich, Germany: Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 2012. 829 p.
  78. Brogioli M., Cavallaro J.R. Hardware/Software Co-design Methodology and DSP/FPGA Partitioning: A Case Study for Meeting Real-Time Processing Deadlines in 3.5G Mobile Receivers Режим доступа: http://www.ece.rice.edu/~rpredrag/doc/MWCAS.pdf.
  79. FPGAs for High-Performance DSP Applications / Altera, White paper WP-41 905−1.1 Режим доступа: http://www.altera.com/literature/wp/wp dspcomp.pdf.
  80. Dick С. FPGAs: The High-end Alternative for DSP Applications Режим доступа: http://www.hunteng.co.uk/pdfs/tech/DSP1736FPGA.pdf.
  81. Сергиенко A.M. VFIDL для проектирования вычислительных устройств. Киев: ЧП «Корнейчук», ОАО «ТИД «ДС», 2003. — 208 с.
  82. Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток / Пер. с англ. Ю. Ф. Касимова, И. П. Пчелинцева, под ред. В. М. Амербаева, Т. Э. Кренкеля М.: Радио и связь, 1985. — 248 с.
  83. Д.Э. Искусство программирования, том 2. Получисленные алгоритмы / Пер. с англ. М.: Вильяме, 2000. — 828 с.
  84. А.А., Офман Ю. Умножение многозначных чисел на автоматах. Доклады Академии Наук СССР, т. 145, № 2, 1962. С. 293−294.
  85. О.Д. Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices с использованием Visual DSP++. М.: Горячая линия — Телеком, 2007. — 270 с.
  86. Blackfm Family Selection Table / Analog Devices Режим доступа: http://www.analog.com/en/processors-dsp/blackfm/processors/selection-tables/Blackfin Selection Table/resources/fca.html.
  87. ADSP-TS201S: 500/600 MHz TigerSHARC Processor with 24 Mbit on-chip embedded DRAM. Description / Analog Devices Режим доступа: http://www.analog.com/en/processors-dsp/tigersharc/adspts201 s/processors/prodpopup.html?displav=popup.
  88. C6000™ High Performance DSP / Texas Instruments Режим доступа: http://www.ti.com/lsds/ti/dsp/platform/c6000-high-performance/device.page.
  89. Spartan-3 FPGA Family Data Sheet / Xilinx, Dec 2009. Режим доступа: http://www.xilinx.com/support/documentation/data sheets/ds099.pdf.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!