Разработка и исследование методов и средств моделирования декаметровых радиоканалов в реальном масштабе времени

Основной задачей, решаемой в настоящее время разработчиками систем передачи информации (СПИ), является повышение эффективности информационных систем при одновременном сокращении сроков их проектирования.

Опыт эксплуатации систем связи, в частности, СПИ по радиоканалам, показывает, что ухудшение их характеристик в значительной степени обязано воздействию различного рода преднамеренных и непреднамеренных радиопомех, создающих сложную электромагнитную обстановку. Кроме того, внедрение новых перспективных СПИ существенно затягивается из-за продолжительных и трудоемких натурных испытаний [1]. Эти обстоятельства заставляют применять различные методы имитационного моделирования СПИ как на ранних этапах проектирования, так и на предваряющих натурные испытания стадиях разработки аппаратуры.

Под имитационным моделированием понимают исследование реальных объектов и систем посредством представления их в некоторой отличной от реальной форме, называемой моделью [2]. Существует несколько методов моделирования, основными из которых являются математическое моделирование^, 4, 5] и моделирование на ЭВМ [6, 7]. Эти методы широко и успешно применяются в различных областях науки и техники [1,2,8], в том числе и при моделировании СПИ [3]. Однако, при этом, как правило, не ставится задача моделирования систем на ЭВМ в реальном масштабе времени.

Сравнительно новой областью моделирования является полунатурное моделирование СПИ на специализированных комплексах или стендах, в состав которых входят как реальная аппаратура СПИ, так и устройства для 6 моделирования непрерывных каналов связи [1,9,10-И 2]. Отличительная особенность полунатурного моделирования заключается в проведении исследований в реальном масштабе времени, что обусловлено включением в комплекс радиотехнических средств реальной СПИ. Последнее позволяет существенно упростить модель СПИ и, тем самым, частично ослабить основное противоречие моделирования, заключающееся в необходимости реализовать более точную модель за счет повышения ее сложности [2]. Вычислительные и управляющие подсистемы современных комплексов полунатурного моделирования СПИ строятся на базе ЭВМ новых поколений, широко применяются микропроцессорные и мультипроцессорные средства [10-И2].

Применительно к СПИ по радиоканалам полунатурное моделирование уже стало обязательной процедурой испытаний целого ряда систем, которая рекомендуется различными международными организациями, включая МККР [13,14] и ИНМАРСАТ [15,16,17]. В работах Ф. Давариана [10], Д. Перла [11] и Н. Харта [12] сформулированы принципы построения стендов полунатурного моделирования СПИ по спутниковым [10,12] и по декаметровым (ДКМ) [11] радиоканалам. Из результатов работ этих авторов следует, что проектирование стендов полунатурного моделирования состоит из следующих основных этапов:

— разработка имитатора (или имитаторов) моделируемого непрерывного радиоканала;

— создание управляющей и измерительной подсистем комплекса;

— разработка пакетов программ для управления комплексом, организации исследований СПИ (сценарии моделирования) и обработки полученных данных.

Основные трудности создания подобных комплексов связаны с реализацией имитаторов каналов связи, поскольку такие устройства серийно не производятся, 7 а именно их характеристики в значительной степени определяют эффективность и достоверность результатов полунатурного моделирования.

Известны три основных метода моделирования радиоканалов в реальном масштабе времени [1,9,16,18]:

— физическое моделирование;

— метод «записанного канала» ;

— метод функционального подобия.

Физические модели каналов разрабатываются на основе теории физического подобия [1,9]. Имитаторы, реализующие этот принцип, представляют собой уникальные установки, предназначенные для исследования собственно механизма распространения радиоволн. Им свойственны многие недостатки, отмеченные в [1], и в настоящее время они не проектируются. Метод «записанного канала» [18] основывается на выделении тем или иным способом и записи процессов мультипликативных искажений тестового сигнала, прошедшего реальный канал связи, с целью последующего их переноса на информационный сигнал моделируемой СПИ [16,19]. Метод функционального подобия [9] заключается в реализации средствами вычислительной техники математической модели сигнала, образующегося на выходе реального радиоканала, то есть математической модели канала. При этом основное значение приобретает выбор и обоснование математической модели, которая во многом определяет алгоритм работы имитатора [3,10,20]. Последние два метода успешно конкурируют, по крайней мере, при моделировании СПИ по спутниковым радиоканалам, о чем свидетельствует появление стендов, в состав которых включают и те и другие имитаторы [12,21]. Это позволяет компенсировать присущие им в отдельности недостатки, например, зависимость качества записанных реализации помех от 8 условий проведения соответствующего натурного эксперимента [19] в одном методе и значительную величину априорной погрешности моделирования, возникающую вследствие неадекватности реализуемой математической модели реальному каналу связи, в другом [2]. Наличие же в ДКМ радиоканалах мощных аддитивных радиопомех искусственного и естественного происхождений затрудняет организацию корректно поставленного эксперимента по записи мультипликативных помех и препятствует широкому использованию метода «записанного канала» при моделировании декаметровых СПИ [22].

В зависимости от цели полунатурного эксперимента и ограничений реализационного характера моделирование осуществляют в полосе частот стандартного телефонного канала (СТК) [1,11,23,24], на промежуточной частоте (ПЧ) аппаратуры СПИ [10,12,21,25,26] или на несущей частоте [27].

Ограничения реализационного характера связаны с производительностью аппаратных или возможностями программных средств, применяемых в имитаторах для обработки информационных сигналов и моделирования помех. Так, имитаторы каналов спутниковой радиосвязи моделируют, как правило, только один или два луча [10,12,21,25,26]. Специфика сравнительно узкополосных (единицы кГц) ДКМ радиоканалов требует моделирования уже 6.8 независимых лучей [1,11,23,24], что требует значительно больших реализационных аппаратных и программных затрат.

Развитие широкополосных СПИ по ДКМ радиоканалам, включая СПИ с программно-перестраиваемым рабочими частотами (ППРЧ) [28], предполагает конструирование соответствующих имитаторов, функционирующих на ПЧ в расширенной полосе частот (до десятков кГц). Сильная загруженность ДКМ диапазона непреднамеренными радиопомехами и станционными 9 преднамеренными помехами специальных типов, которые также должен воспроизводить имитатор, делает задачу реализации подобных устройств еще более сложной. В литературе отсутствуют описания конструкций имитаторов, удовлетворяющих последним двум требованиям.

Базовыми операциями, осуществляемыми в имитаторах практически любых радиоканалов, являются формирования мультипликативных и аддитивных помех, представляющих собой случайные процессы с заданными статистическими характеристиками. Для их формирования широко применяется цифровое и аналоговое моделирование различных типов марковских процессов или их компонент [9,29,30,31], в частности, заданных в форме стохастических дифференциальных уравнений (СДУ) [3,6,9,30,32,33,34]. Аналоговые методы применяются в основном при моделировании одно-двух лучевых каналов [21,35], когда аппаратные затраты на реализацию имитаторов не являются значительными. Квадратурные компоненты (КК) мультипликативных помех формируются с помощью аналоговых фильтров с управляемыми частотными характеристиками. Наибольшее распространение получили линейные форм фильтры [9] для генерирования гауссовских КК. Известен имитатор ДКМ радиоканала, в котором применены нелинейные аналоговые фильтрыэлектронные модели СДУ [29]. Этот имитатор моделирует негауссовскую модель радиоканала с mраспределением огибающей выходного сигнала.

Однако в настоящее время аналоговые методы, практически, вытеснены цифровыми. Это обусловлено, прежде всего, неуклонным повышением производительности и снижением стоимости цифровых систем обработки сигналов [11,23,24]. С помощью цифровых систем эффективно осуществляется цифровое моделирование гауссовских КК на основе алгоритмов скользящего.

10 суммирования (АСС) [9,12,23,27], или алгоритмов авторегрессии — скользящего среднего (АРСС) [9,24,31] и обработка отсчетов входного информационного сигнала в полосе СТК. Компактность этих алгоритмов позволяет в реальном масштабе времени моделировать в полосе частот СТК до 6.8 независимых лучей [11,23,24,36]. Увеличение полосы частот информационного сигнала, требующее повышения частоты его дискретизации, приводит к повышению скорости обработки его отсчетов и частоты дискретизации моделируемых процессов. Для широкополосных ДКМ каналов, когда полоса частот информационного сигнала составляет 40 кГц, требуются процессоры с наносекундными тактами выполнения команд. Альтернативой применению сверхскоростных процессоров может быть использование специализированных БИС на основе программируемой логики. Это предполагает совершенствование алгоритмов цифрового моделирования и разработку новых быстродействующих алгоритмов генерирования случайных процессов, ориентированных на цифровую аппаратную реализацию.

Применяемые до настоящего времени алгоритмы генерирования аддитивных радиопомех, включающих в себя гладкую гауссовскую и импульсную негауссовскую составляющие [5,737,38,39], не являются удовлетворительными с точки зрения адекватности воспроизводимых с их помощью процессов реальным аддитивным помехам. Адекватность особенно важна для ДКМ каналов, где импульсная составляющая доминирует над гладкой [5,40] и существенно ухудшает характеристики СПИ. Отсутствие в литературе эффективных алгоритмов моделирования в реальном масштабе времени импульсных радиопомех естественного и искусственного происхождения обусловлено, с одной стороны, многообразием математических моделей аддитивных помех [5,7,37^-39,41], а с другой стороны — принципиально негауссовским их характером,.

11 что, как известно [3,9], затрудняет их моделирование. Подобное положение снижает эффективность полунатурного моделирования СПИ по радиоканалам и заставляет разрабатывать соответствующие алгоритмы для генерирования импульсных помех.

Одним из основных требований, предъявляемых к современным имитаторам радиоканалов, является оперативное управление параметрами формируемых в них случайных процессов. Эти параметры целесообразно называть вторичными параметрами канала, понимая под первичными — реальные физические характеристики моделируемых каналов (например географические координаты передатчика и приемника СПИ, уровень солнечной активности, частоты несущего колебания и т. д.). Следует отметить, что задача определения взаимосвязи первичных и вторичных параметров, решение которой необходимо для реализации имитаторов, в частности, ДКМ радиоканалов, нерешена, несмотря на значительное число публикаций по этому вопросу [42^-48]. Решение ее затруднено тем, что при моделировании ДКМ каналов требуется управление примерно десятком вторичных параметров мультипликативных помех для каждого из моделируемых лучей, а также — параметрами аддитивных помех. Наличие же указанной взаимосвязи параметров, определенной хотя бы в вероятностном смысле, даст возможность значительно упростить процедуру испытаний СПИ на стенде полунатурного моделирования. Поэтому эта задача также требует своего решения.

Адекватность моделируемых процессов реальным помехам в каналах связи, наличие в достаточной степени универсального, единого подхода к методам моделирования помех и реализации имитаторов, возможность управления наиболее важными параметрами воспроизводимых помех при неизменности.

12 остальных параметров и автоматизации процесса моделирования, простота реализации и относительно небольшие затраты на производство, эксплуатацию и техническое обслуживание как имитаторов, так и стендов полунатурного моделирования в целом, обуславливают эффективность функционального моделирования непрерывных и, в частности, ДКМ каналов радиосвязи.

Разработка новых эффективных цифровых алгоритмов и устройств для моделирования широкополосных ДКМ радиоканалов в реальном масштабе времени и решение возникающих при этом научно-технических задач составляют основную задачу проводимых исследований.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности методов и средств полунатурного моделирования широкополосных каналов ДКМ радиосвязи и создание на этой основе аппаратуры для стендовых испытаний СПИ.

В соответствии с этим, основными задачами диссертационной работы являются.

1. Выбор и обоснование математической модели ДКМ канала связи, ориентированной на реализацию широкополосного имитатора.

2. Создание новых цифровых высокопроизводительных алгоритмов формирования квадратурных компонент мультипликативных помех.

3. Синтез цифровых алгоритмов моделирования аддитивных негауссовских импульсных радиопомех.

4. Разработка и реализация цифровых генераторов случайных процессов, функционирующих на основе предложенных алгоритмов, и исследование характеристик формируемых ими процессов.

5. Разработка и реализация имитатора ДКМ радиоканала, проведение его.

13 испытаний и внедрение в народное хозяйство.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Разработаны новые быстродействующие одношаговые алгоритмы, порождающие случайные процессы (дискретные аналоги диффузионного нормального марковского процесса) с управляемыми характеристикамиповышение быстродействия алгоритмов по сравнению с известными обеспечивается за счет использования в них только операций сравнения целых чиселисследованы характеристики формируемых при помощи этих алгоритмов случайных процессовразработана методика инженерного расчета генераторов случайных процессов и определены погрешности моделирования.

2. Предложены два метода моделирования узкополосных случайных процессов, описываемых каноническим представлением Д. Миддлтона радиопомех класса Аполучены соответствующие им алгоритмы, один из которых базируется на обобщении модели атмосферных помех Я. И. Лихтера на случай перекрывающихся импульсов, другой — на представлении импульсной составляющей радиопомехи класса, А в виде моделируемого процессом размножения и гибели стационарного узкополосного гауссовского процессапроведено сравнение алгоритмов и определены погрешности моделирования, обязанные усечению числа членов ряда одномерного распределения радиопомех класса Апоказано, что для их реализации достаточно использование гауссовских и пуассоновских случайных процессов.

3. Проанализированы характеристики мультипликативных, аддитивных (гладких и импульсных) и станционных радиопомех, действующих в ДКМ радиоканалевведено понятие сценария моделированиярассмотрены два класса параметров, определяющих явно заданный (класс первичных параметров) и.

14 неявно заданный (класс вторичных параметров) сценарии моделирования и обоснована возможность их взаимосвязи.

4. Предложены новые технические решения построения основных узлов имитатора широкополосного ДКМ радиоканала, реализованного с использованием принципа временного разделения лучей.

Диссертационная работа содержит введение, четыре раздела, заключение, список используемых источников и приложения.

4.6 Выводы.

1. Разработан и реализован аналого-цифровой 8-лучевой имитатор ДКМ радиоканала, функционирующий на основе метода цифровой обработки сигналов с временным разделением лучей.

2. Приведены и описаны принципы действия отдельных узлов и блоков ИДРК, оригинальность которых подтверждена авторскими свидетельствами. Важной особенностью работы этих устройств является оперативное независимое управление любым числом параметров формируемых узлом процессов.

3. Приведены результаты испытаний входных и выходных аналоговых трактов.

160 имитатора, основных цифровых его узлов, а также — всего устройства в целом.

4. Результаты испытаний подтверждают правильность полученных в работе новых научно-технических результатов и корректность использования известных. Определены пути дальнейших исследований возможности построения и реализации автоматизированных программно-управляемых стендов полунатурного моделирования СПИ по ДКМ радиоканалам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Обоснована математическая модель широкополосного ДКМ радиоканала. Показано, что для воспроизведения комплекса помех, действующих в этом канале, необходимо моделировать мультипликативные, аддитивные (гладкие и импульсные) и станционные радиопомехи.

2. Определены характеристики выделенных типов помех и введено по аналогии с определением Д. Миддлтона понятие сценария моделирования. Рассмотрены два класса параметров, определяющих явно заданный и неявно заданный сценарии моделирования. Обоснована возможность взаимосвязи этих классов параметров. Выделена совокупность первичных параметров, достаточная для нахождения основных элементов явно заданного сценария, позволяющая рассчитывать структуру многолучевости в радиоканале и задержки сигнала в каждом из лучей.

3. Проанализированы современные методы моделирования ДКМ радиоканалов в реальном масштабе времени и обоснована целесообразность построения имитатора в виде специализированного аналого-цифрового устройства. Предложена обобщенная структурная схема аналого-цифрового имитатора ДКМ канала связи.

4. Рассмотрены методы цифрового моделирования случайных процессов с заданными вероятностными характеристиками и особенности их применения в задачах построения широкополосных имитаторов радиоканалов. Показана невозможность использования для этих целей известных цифровых алгоритмов.

5. Обоснована необходимость создания новых производительных алгоритмов формирования гауссовских случайных процессов и сформулированы.

162 предъявляемые к ним требования по производительности.

6. Разработаны новые одношаговые алгоритмы, порождающие случайные процессы — дискретные аналоги диффузионного нормального марковского процесса, базирующиеся только на операциях сравнения целых чисел.

7. Исследованы характеристики случайных процессов, формируемых предложенными алгоритмамиразработана методика инженерного расчета соответствующих генераторов случайных чисел и определены погрешности их моделирования.

8. Произведено сравнение алгоритмов с известным алгоритмом АРСС 1-го порядкапоказано, что предложенные и известный алгоритм имеют одинаковую производительность, однако при конвейерной их реализации предпочтительными являются алгоритмы, не содержащие арифметических операций сложения и умножения.

9. Предложены устройства для аппаратной реализации одношаговых алгоритмов, в том числе и схема генератора, функционирующего с разделением во времени.

10. Приведены результаты моделирования алгоритмов на ЭВМ, подтверждающие достоверность результатов проведенных теоретических исследований.

11. Предложены два метода имитационного моделирования узкополосных случайных процессов, описываемых каноническим представлением Д. Миддптона радиопомех естественного происхождения и индустриальных радиопомех класса А, и соответствующие им алгоритмы:

— один из разработанных алгоритмов базируется на идентичности модели.

Я.И.Лихтера атмосферных радиопомех, распространенной на случай перекрывающихся импульсов, модели Д. Мидцлтона класса Авторой алгоритм основан на представлении импульсной составляющей радиопомехи класса, А в виде моделируемого процессом размножения и гибели стационарного узкополосного гауссовского процесса.

12. Показано, что для реализации алгоритмов достаточно использование гауссовских и пуассоновских случайных процессов.

13. Проведено сравнение алгоритмов и определены погрешности моделирования, обязанные усечению числа членов ряда одномерного распределения радиопомех класса А.

14. Разработан и реализован 8-лучевой имитатор помех ДКМ радиоканала, функционирующий на основе метода цифровой обработки сигналов с временным разделением лучей.

15. Приведены результаты испытаний входных и выходных аналоговых трактов имитатора, основных узлов и всего устройства.

16. Определены пути дальнейших исследований возможности построения и реализации автоматизированных программно-управляемых стендов полунатурного моделирования СПИ по ДКМ радиоканалам.