Разработка алгоритмов и устройств поиска нескольких шумоподобных сигналов в системах передачи информации

В настоящее время наблюдается быстрый рост числа комплексов и систем управления и связи и объема передаваемой ими информации, что накладывает жесткие требования как к методам передачи информации, так и к характеристикам устройств ее обработки. Развитие микроэлектроники, создание элементной базы со сверхбольшой степенью интеграции и миниатюризация вычислительных средств привели в настоящее время к широкому использованию цифровых технологий при передаче и обработке информации в радиотехнических, телеметрических системах и системах связи. Особенностью цифровых систем передачи информации (СПИ) является широкое использование сложных сигналов, обеспечивающих возможность адресной передачи и выбора абонентом нужного сигнала в условиях многостанционного (произвольного) доступа, скрытности работы СПИ, повышенной помехоустойчивости к преднамеренным помехам и эффективного использования каналов связи [88,11−13,15−18,21,22].

Перспективным направлением развития методов передачи информации в цифровых СПИ является кодовое разделение (КР) каналов на основе технологии шумоподобных сигналов (CDMA — Code Division Multiple Access). В подобных системах осуществляется кодирование сообщений дискретными псевдослучайными последовательностями (ПСП). Среди большого класса линейных и нелинейных ПСП — кодов Баркера, Уилларда, Стиффлера, функций Уолша и др. Хорошо известны и широко используются линейные рекуррентные последовательности максимального периода (МЛРП), частным случаем которых являются последовательности Хаффмена или М-последовательности. Простота формирования МЛРП и хорошие корреляционные свойства обусловили внедрение сигналов построенных на МЛРП в системы и комплексы управления, связи, радиолокации и радионавигации [11−13,15−20,77].

Одним из первых этапов работы СПИ с КР является быстрое и надежное установление кодовой синхронизации между источником и приемником информации без чего невозможно выделение информации из передаваемого сообщения [32]. Эта задача является одной из приоритетных. Применение ШПС с большой базой позволяет повысить надежность систем управления и связи и увеличить разрешение по расстоянию в системах измерения дальности [12,13,17,18]. Однако при поиске ШПС с большой базой возникает ряд проблем, связанных с минимизацией времени вхождения в кодовый синхронизм.

Среди методов поиска и синхронизации ШПС не требующих отдельного эталона времени (что позволяет непосредственно определить временную задержку сигнала) минимальное время синхронизации при малых отношениях сигнал/шум имеют методы параллельного анализа сигнала с использованием многоканальных корреляторов или согласованных фильтров (СФ) [32,12,13,17,18]. Практическая реализация таких устройств сопряжена со значительными техническими затратами или с невозможностью накопления ШПС. Методы пошагового (циклического) поиска, основанные на поочередном просмотре элементов разрешения диапазона поиска и полихотомические методы позволяют снизить технические затраты на реализацию устройств поиска (ПУ), однако при равной достоверности принятия решения имеют большее время поиска ШПС.

11,12,17,18,24,32,26,79]. Для сокращения времени поиска ШПС, сформированных на основе двоичных рекуррентных ПСП были предложены методы, основанные на последовательной оценке символов ПСП и позволяющие по любому неискаженному сегменту ПСП длиной в т символов (т — число разрядов регистра сдвига генератора ПСП) синтезировать в генераторе сигнал с требуемой задержкой [25,26]. Вместе с тем, метод последовательной оценки символов ПСП и его модификации не используют большую статистическую избыточность рекуррентных ПСП, заложенную в них при кодировании и не эффективны при большой мощности шума.

Названные выше методы разрабатывались применительно к задаче обработки сигнала на фоне идеализированной помехи — белого шума и не учитывают взаимного влияния используемых в СПИ сигналов. Так, помехоустойчивость многоканальных ПУ на основе корреляторов или СФ падает при одновременном наличии на входе ПУ нескольких сигналов [12,13,17,18]. Известные оптимальные методы обработки сигналов при наличии помех от нескольких абонентов сложны в реализации [72,73].

Задача обнаружения и распознавания сигналов в системах связи с ШПС с произвольным доступом может быть решена с учетом особенностей формирования шумоподобных сигналов на основе МЛРП.

В результате работы сдвигающего регистра, с помощью которого обычно формируются МЛРП [4,13,20] периода Ь = ¿-п-1 — основание ПСП), возникает последовательность, представляющая собой предельный случай цепи Маркова, в которой допустимы только два значения переходной вероятности: «1» и «0» (детерминированная цепь). Каждый последующий символ такой последовательности зависит только от т-значной комбинации предыдущих символов. Так как ш-значная комбинация является наименьшей частью рекуррентной ПСП, определяющей ее вид и задержку [4,13,20], то задача поиска ШПС может быть сведена к задаче обнаружения и распознавания т-значной комбинации ПСП. Аппроксимация га-значных комбинаций дискретного параметра ШПС (амплитуда, частота или фаза) дискретнозначным процессом Маркова позволяет использовать для синтеза алгоритмов и устройств поиска ШПС теорию нелинейной фильтрации условных марковских процессов [9,10,37,45]. Представление алгоритмов фильтрации ШПС в рекуррентном виде снижает их вычислительную сложность [9,10,37−41,44−47].

Математический аппарат теории фильтрации условных марковских процессов применительно к задачам нелинейной фильтрации был разработан в работах Р. Л. Стратоновича, И. Н. Амиантова, А. И. Тихонова, Ю. Г. Сосулина, М. А. Миронова, М. С. Ярлыкова, В. В. Яншина и др. Техническая реализация полученных алгоритмов, однако, достаточно сложна.

В данной работе на основе подхода предложенного в работах Е. П. Петрова [9,10,37], разрабатываются алгоритмы работы и структуры ПУ не требующие наличия в составе устройства поиска генераторов опорных последовательностей. Синтезированные устройства реализуют потенциальную помехоустойчивость приема ШПС «в целом», сочетают достоинства устройств на основе многоканальных корреляторов и согласованных фильтров при более простой структуре и позволяют различать одновременно несколько ШПС [9,10,37−41,44−47]. Так как операции над принятым ШПС при распознавании и обнаружении аналогичны (отличие в функции решающего устройства), то полученные в [9,10,37] алгоритмы могут также быть использованы при синтезе ПУ для одновременного обнаружения и распознавания нескольких ШПС [9,10,37−41,44−47].

Алгоритмы фильтрации дискретного параметра ШПС синтезированы в предположении, что все параметры сигнала, за исключением информационного известны, и на входе ПУ действует только белый гауссовский шум. Такой подход к решению задачи является обоснованным, так как позволяет получить результаты, близкие к потенциально возможным.

Во многих случаях, однако, на входе ПУ действуют негауссовские помехи различного вида и мощности. Кроме помех естественного происхождения — атмосферных и космических шумов, в СПИ с КР присутствуют взаимные (системные) помехи, появление которых обусловлено квазиортогональностью используемых сигналов. Могут наблюдаться также узкополосные помехи от различных радиоустройств, работающих в общем с системой связи частотном диапазоне и искусственные помехи (постановочные), создаваемые для подавления источника информации и имеющие значительную мощность [12,17,18,48−63]. Оценка надежности работы СПИ в условиях действия внутренних (системных) или внешних (естественных или преднамеренных) помех возможна на основе общесистемного подхода.

Известно, что СПИ с ШПС имеют высокую помехоустойчивость [12,13,16,17,18,20,81]. Часто степень подавления помех, связанная с использованием ШПС, является достаточной для уверенной передачи информации. Однако в некоторых случаях выигрыш, достигаемый применением ШПС оказывается недостаточным. Разработка оптимальных устройств в системах передачи информации и управления, работающих в условиях действия негауссовских узкополосных и структурных помех, приводит к созданию нелинейных устройств большой сложности [53,71,83]. Часто более простым решением является введение в состав СПИ устройств дополнительной обработки сигнала с подавлением помех конкретного вида [49,52,54−59,61−63]. В [17,18] показано, что для СПИ с ШПС наиболее опасными являются мощные гармонические помехи (ГП) и помехи, схожие по структуре с полезным сигналом, — подобные помехи (1111).

Режекция гармонических помех (ГП) возможна методами спектральной обработки сигналов с изменением области спектра обработки сигналов [23,54,63]. Эти методы имеет недостатки связанные с малым динамическим диапазоном используемых компонентов — линий задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) или приборах с зарядовой связью (ПЗС). При наличии источника сигнала сильнокоррелированного с помехой и слабокоррелированного с полезным сигналов, эффективными для подавления.

ГП являются методы компенсации ГП. С целью предсказания отсчетов сигнала помехи могут использоваться фильтры с постоянными параметрами или адаптивные фильтры [15,49,55−58,61−63,84].

В большинстве случаев в СПИ затруднительна организация источника сигнала слабо коррелированного с полезным сигналом и сильно коррелированного с помехой, что не позволяет использовать методы основанные на фильтрации помехи в дополнительном канале ПУ с ее последующей компенсацией. Требуется непосредственное выделение ГП из принимаемого сигнала. Так как сигнал на входе ПУ при наличии мощной ГП представляет собой медленно изменяющийся процесс «зашумленный» смесью ШПС и белого гауссовского шума, для выделения ГП можно использовать широко применяющиеся для решения аналогичных задач цифровые сглаживающие фильтры (ЦСФ) [55,56]. ЦСФ могут быть реализованы в виде трансверсальных (односторонних или двухсторонних) либо рекурсивных линейных или нелинейных фильтров. При частотной интерпретации ЦСФ являются цифровой реализацией ФНЧ.

Применение устройства защиты от мощных ГП на основе трансверсального цифрового фильтра позволяет в существенной мере скомпенсировать влияние как одиночной мощной ГП, так и комплекса ГП. Глубина подавления ГП достигает 20 и более дБ в зависимости от мощности широкополосного шума и мощности узкополосной помехи на входе ПУ [58]. Дополнительный выигрыш в отношении сигнал/помеха обеспечивается адаптацией устройства защиты от ГП к параметрам помехи.

Задача подавления мощных подобных помех еще мало исследована [67−70]. В то же время, для поиска и оценки параметров системных, ретранслированных или постановочных помех, являющихся ШПС на основе МЛРП, можно использовать устройства поиска ШПС, аналогичные применяемым в основном канале ПУ. При этом достигается большая степень унификации блоков ПУ. Ухудшение помехоустойчивости СПИ с ШПС происходит лишь при наличии структурных помех, значительно превышающих по мощности полезный сигнал, что упрощает задачу поиска и оценки параметров помех. В качестве устройств поиска подобных помех при этом могут эффективно использоваться устройства быстрого поиска [68−70]. Исследование ПУ с блоками дополнительной обработки сигнала на основе РСФ и на основе адаптивного нелинейного фильтра показало возможность ослабления ПП на 20 и более дБ в зависимости от мощности белого шума на входе ПУ [70].

Целью диссертационной работы является разработка оптимальных алгоритмов и устройств обработки шумоподобных сигналов в системах передачи информации с кодовым разделением, обеспечивающих одновременное обнаружение и распознавание нескольких сигналов, и устройств защиты их от гармонических и подобных помех.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Систематизация и анализ современного состояния методов обработки шумоподобных сигналов;

2. Разработка алгоритмов оптимальной фильтрации шумоподобных сигналов, построенных на линейных рекуррентных последовательностях максимального периода с произвольным основанием, на фоне белого гауссовского шума;

3. Синтез устройств одновременного обнаружения и распознавания нескольких шумоподобных сигналов.

4. Анализ помехоустойчивости синтезированных устройств при наличии белого гауссовского шума, гармонических и подобных помех;

5. Разработка методов защиты синтезированных устройств от мощных гармонических и подобных помех и анализ их эффективности.

Для решения поставленных в работе задач используются методы теории оптимальной нелинейной фильтрации, теории условных марковских процессов, математической статистики и методы статистического моделирования на ЭВМ.

На защиту выносятся основные научные результаты автора:

1. Алгоритмы оптимальной обработки шумоподобных сигналов, построенных на линейных рекуррентных последовательностях максимального периода с произвольным основанием;

2. Структуры оптимальных устройств поиска нескольких шумоподобных сигналов в системах передачи информации с кодовым разделением каналов;

3. Анализ воздействия гармонических и подобных помех на устройства поиска шумоподобных сигналов;

4. Методы защиты систем передачи информации с шумоподобными сигналами от мощных гармонических и подобных помех и анализ их эффективности.

Новизна научных результатов состоит в следующем:

1. На основе представления линейных рекуррентных последовательностей максимального периода с произвольным основанием, сложной цепью Маркова получены оптимальные алгоритмы фильтрации дискретного параметра шумоподобных сигналов .

2. Синтезированные устройства одновременного поиска нескольких шумоподобных сигналов в системах передачи информации на фоне белого гауссовского шума обладают потенциальной помехоустойчивостью при меньшей структурной сложности и времени поиска сигналов по сравнению с известными оптимальными многоканальными устройствами.

3. Разработанные алгоритмы и структуры устройств защиты от мощных гармонических и подобных помех в системах передачи информации с шумоподобными сигналами, позволяющие при незначительном увеличении технических ресурсов на их реализацию существенно ослабить влияние указанных помех.

Практические результаты диссертационной работы связаны с применением разработанных устройств поиска ШПС, сформированных на основе МЛРП, и устройств защиты от мощных гармонических и подобных помех в СПИ с кодовым разделением каналов, использующих для передачи информации технологию шумоподобных сигналов: системах управления космическими объектамицифровых радиои персональных системах подвижной связи и управления воздушным движением и наземным транспортом, работающих в соответствии со стандартом IS-95, или использующих радиоинтерфейсы W-CDMA, IW-CDMA, CDMA PCS, А-CDMAбеспроводных систем связи и ЛВСсистем спутниковой подвижной связи и вещания (OmniTracs компании Qualcomm) — радионавигационных (Глонасс) и радиолокационных системах.

По теме диссертации опубликовано 14 работ. Из них из них — 8 статей, и 6 тезисов докладов. Материалы диссертации также использованы при подготовке учебного пособия по дисциплинам «Основы статистической радиотехники» и «Современные системы связи». Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и региональных научно-технических конференциях «Наука-производство-технология-экология Киров, ВятГТУ, в 1998 — 2001 гг.- Второй Всероссийской НТК — Ульяновск, 1999 г.- VI и V Межд. НТК «Радиолокация, навигация, связь» — Воронеж, 2000 — 2001 гг.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе дается краткая характеристика шумоподобным сигналам, используемым в системах передачи информации, анализируется область применения ШПС, производится обзор известных методов поиска ШПС.

Во второй главе на основе представления рекуррентных ПСП сложной.

14 цепью Маркова решается задача отыскания алгоритмов фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на МЛРП, и синтеза на их основе структур устройств одновременного обнаружения и распознавания нескольких ШПС, принадлежащих одному классу, имеющих одинаковую энергию и длительность. Исследуется помехоустойчивость синтезированных устройств при наличии «белого» гауссовского шума. Производится оценка временных характеристик поиска сигналов.

В третьей главе исследуется воздействие на процесс поиска ШПС аддитивной смеси гармонических помех (ГП) и белого гауссовского шума. Рассматриваются наиболее распространенные в СПИ с ШПС типы помех. Производится краткий обзор и анализ методов подавления ГП. Разрабатываются и исследуются устройства подавления мощных гармонических помех на основе цифровых сглаживающих фильтров, выделяющих помеху с целью ее последующей компенсации.

В четвертой главе исследуется воздействие на процесс поиска ШПС аддитивной смеси подобных помех (1111) и белого гауссовского шума. Предлагается метод подавления ПП основанный на поиске и оценивании параметров ПП с их последующей компенсацией. Разрабатываются и исследуются устройства подавления мощных ПП.

Выводы по главе 4.

1. Помехоустойчивость устройств поиска в СПИ с П1ПС снижается с увеличением числа составляющих системной помехи. При большом количестве составляющих требуемой надежности СПИ можно достичь за счет применения ШПС с большей базой. Воздействие одиночных мощных подобных помех определяется взаимокорреляционными свойствами ШПС и ПП. Помехи повторяющие структуру ШПС выделяются в соответствующих каналах РСФ подобно полезным сигналам и не влияют на ошибки обнаружения ШПС в остальных каналах РСФ.

2. Для поиска подобных помех с целью оценки параметров и компенсации ПП могут применяться устройства, аналогичные используемым для обнаружения полезного сигнала. Анализ показывает, что применение устройств быстрого поиска при этом более выгодно и позволяет достичь л степени подавления ПП до 15 дБ при отношении сигнал/шум рэ = -3 дБ и отношении сигнал/помеха = -6 дБ. Выигрыш в отношении сигнал/помеха растет с увеличением мощности 1111.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа решает задачу оптимальной обработки шумоподобных сигналов, построенных на линейных рекуррентных последовательностях максимальной длины, минимальными техническими ресурсами, имеющую важное прикладное значение при разработке устройств обработки сигналов в системах передачи информации с кодовым разделением каналов.

Основные научные результаты.

1. На основе представления линейных рекуррентных последовательностей максимального периода с произвольным основанием, сложной цепью Маркова получены алгоритмы оптимальной обработки шумоподобных сигналов.

2. Синтезированы структуры оптимальных устройств поиска нескольких шумоподобных сигналов в системах передачи информации с кодовым разделением каналов, обладающие потенциальной помехоустойчивостью не уступающей известным оптимальным многоканальным устройствам при меньшей структурной сложности и времени поиска сигналов.

3. Произведен анализ воздействия гармонических и подобных помех на устройства поиска шумоподобных сигналов в системах передачи информации с кодовым разделением каналов;

4. Предложены методы и устройства защиты систем передачи информации с шумоподобными сигналами от мощных гармонических и подобных помех, произведен анализ их эффективности.

Практические результаты работы.

Синтезированные устройства поиска ШПС на основе рекуррентных согласованных фильтров не требуют наличия в составе устройства поиска генераторов опорных последовательностей, обладают высокой однородностью структуры и могут использоваться в качестве самостоятельного звена вторичной обработки ШПС в составе приемника.

Анализ воздействия мощных гармонических помех показал, что наиболее сильное влияние оказывают ГП с частотой, близкой к тактовой частоте псевдослучайной последовательности ШПС. По мере увеличения периода помехи ее влияние снижается.

Разработанные устройства защиты от мощных монохроматических и комплексных гармонических помех на основе цифровых трансверсальных сглаживающих фильтров позволяет достичь степени подавления помех до 20−40 дБ.

Анализ воздействия системных (взаимных) помех и одиночных мощных подобных помех показал, что при наличии в системе взаимных помех, достоверность передачи информации снижается с увеличением их числа. Улучшение характеристик системы передачи информации этом случае достигается применением ШПС с большей базой. Воздействие одиночных мощных ПП растет с увеличением взаимной корреляции ШПС и помехи.

Разработанные устройства защиты от мощных подобных помех на основе адаптивных устройств быстрого поиска позволяет достичь степени подавления помех до 15 дБ при отношении сигнал/шум рэ = -12 дБ и отношении сигнал/помеха = -6 дБ. Выигрыш в отношении сигнал/ПП растет с увеличением мощности 1111.

Направления дальнейших разработок.

1. Исследование алгоритмов и устройств обработки шумоподобных сигналов, построенных на последовательностях с произвольным основанием.

2. Разработка алгоритмов и устройств поиска сигналов на основе комбинированных последовательностей.

3. Исследование воздействия негауссовских помех в системах передачи информации с кодовым разделением каналов.

4. Разработка и исследование устройств защиты от коррелированных помех в системах передачи информации с кодовым разделением каналов.

Суммируя приведенные в заключении результаты можно отметить, что цель диссертационной работы, заключающаяся в разработке оптимальных алгоритмов и устройств обработки шумоподобных сигналов в системах передачи информации с кодовым разделением, обеспечивающих одновременное обнаружение и распознавание нескольких сигналов, и устройств защиты их от гармонических и подобных помех достигнута.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

Разработка оптимальных алгоритмов фильтрации шумоподобных сигналов, построенных на бинарных рекуррентных последовательностях и синтез устройств поиска ШПС на бинарных ПСП:

Петров Е.П., Прозоров Д. Е., Частиков A.B. Обнаружение и распознавание псевдослучайных сигналов приемным устройством с рекуррентным согласованным фильтром М.: 1999. — 14 с. — Деп. в ВИНИТИ 15.12.99, № 3718-В99.

Разработка оптимальных алгоритмов фильтрации шумоподобных сигналов, построенных на рекуррентных последовательностях максимального периода с произвольным основанием и синтез устройств поиска ШПС на ПСП с произвольным основанием:

Частиков A.B., Петров Е. П., Прозоров Д. Е. Метод фильтрации шумоподобных сигналов, сформированных на псевдослучайных последовательностях максимального периода. // Радиотехника и электроника. — 2001. — Т. 46, № 5. — С. 553−557.

Анализ помехоустойчивости устройств поиска шумоподобных.

135 сигналов с рекуррентными согласованными фильтрами при воздействии белого гауссовского шума, гармонических и подобных помех:

1. Прозоров Д. Е. Расчет помехоустойчивости приемных устройств на основе рекуррентных согласованных фильтров. В сб. НТК «Наука-производство-технология-экология «, 2001 г., т.2, с.51−52.

2. Прозоров Д. Е. Исследование приемного устройства с рекуррентным фильтром в условиях действия подобных помех. Управление и обработка информации. Сб. научн. тр. ВятГТУ. — Киров: ВятГТУ, выпуск № 4, 2000, с. 112−114.

3. Прозоров Д. Е. Воздействие узкополосных помех на помехоустойчивость приемных устройств в системах с кодовым разделением сигналов. //Проблемы обработки информации: Вестник ВНЦ ВерхнеВолжского отделения АТН РФ. — 2000. — Вып. № 1. — с.27−30.

Разработка устройств защиты от гармонических и подобных помех:

1. Прозоров Д. Е. Поиск и подавление подобных помех в системах с кодовым разделением сигналов. //Проблемы обработки информации: Вестник ВНЦ Верхне-Волжского отделения АТН РФ. — 2000. — Вып. № 1. -с.24−27.

2. Прозоров Д. Е., Петров Е. П. Подавление гармонических помех в системах с широкополосными сигналами. // Радиолокация, навигация, связь: Сб. тр. VIIМНТК.- Воронеж, 2001. В 3-х т., т. — с.726−731.