Алгоритмы обработки и моделирование радиосистем со сложными сигналами второго порядка для повышения их эффективности
На правах рукописи
БЕЙКО Сергей Александрович АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОСИСТЕМ СО СЛОЖНЫМИ СИГНАЛАМИ ВТОРОГО ПОРЯДКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ Специальность: 05.12.04 – “Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения”
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Таганрог 2012
Работа выполнена на кафедре радиоприемных устройств и телевидения Технологического института федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Южный федеральный университет” в г. Таганроге Министерства образования и науки Российской Федерации.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Литюк Виктор Игнатьевич
Официальные оппоненты: Рыжов Владимир Петрович доктор физико-математических наук, профессор, ТТИ ЮФУ, профессор кафедры ТОР Сучков Петр Валентинович кандидат технических наук, доцент, ЮРГУЭС, доцент кафедры РЭС Ведущая организация ОАО "Таганрогский научно-исследовательский институт связи" (ТНИИС) г. Таганрог
Защита диссертации состоится 20 сентября 2012 г. в 1420 в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Южный федеральный университет” в Технологическом институте в г.
Таганроге по адресу:
Дом 44, пер. Некрасовский, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.
С диссертацией можно ознакомится в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: д.148, ул. Пушкинская, г. Ростов-на-Дону.
Автореферат разослан 20 июля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета В.В. Савельев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Данная диссертационная работа посвящена исследованию эффективности при менения сложных сигналов (СС) второго порядка (ССВП) в радиотехнических сис темах обработки информации с учетом влияния ограничений, накладываемых пара метрами используемых в них узлов и устройств путем разработки методов модели рования, учитывающих особенности ССВП.
Большой вклад в развитее теории и техники формирования, генерирования, приема и обработки ССПП внесли Ville J., Woodward P.M., Gabor D., Benjamin R., Cook C.E., Bernfeld M., Barker R.H., Franks L.E., Слока В.К., Ширман Я.Д., Варакин Л.Е., Пестряков В.Б., Свистов В.М., Петрович Н.Т., Размахнин М.К., Вакман Д.Е., Седлецкий Р.М. и ряд других зарубежных и отечественных исследователей, что обеспечило возможность на чать их широкое применение в различных радиосистемах.
Дальнейшее развитие теории и техники радиосистем привело к появлению ан самблей СС, которые впервые были исследованы Welti G.R., Golay M.Y.E. Ими бы ло показано, что ансамбли ССПП, при соответствующей обработке позволяют по лучить сигналы, представляющие собой суммы откликов согласованных фильтров (СФ), описываемых автокорреляционными функциями (АКФ), у которых отсутст вуют боковые лепестки (БЛ) вдоль оси времени.
Поскольку в 60-х годах прошлого столетия стоимость узлов формирования, ге нерирования, приема и обработки ССПП достигало половины стоимости проекти руемой радиосистемы, то в течение длительного времени идеи, рассмотренные в указанных выше работах не находили практического применения.
Появление цифровой обработки сигналов (ЦОС), большой вклад в развитие ко торой внесли Gold B., Rader M., Rabiner L., Oppenheim A.V., Гольденберг Л.М. Ли харев В.А. и ряд других зарубежных и отечественных исследователей, позволило начать рассмотрение алгоритмов, которые не находили ранее своего применения.
Это вызвало интерес к разработке теории и исследованию принципов обработки ансамблей СС, законы модуляции каждого из которых в ансамбле зависят от зако нов модуляции всех других сигналов этого же ансамбля СС. К таким СС относятся СС k-го порядка (k=1, 2, 3, 4,…), под которыми понимаются такие сигналы, у кото рых в каждый момент времени на частотно-временной плоскости находится k зна чений частоты. При этом на каждой k-й частоте над одной и той же информацией осуществляется модуляция по своему закону, присущему только этой частоте и за висящей от законов модуляции на других частотах. Частным случаем являются СС второго порядка (ССВП), т.е. k=2, каждый из которых состоит из пары СС первого порядка (ССПП), т.е. k=1.
К настоящему времени основные исследования в этом направлении были про ведены и опубликованы в работах Литюка В.И., Овсеенко А.В, Литюка Л.В., Коко ревой В.А., в которых рассматриваются различные аспекты синтеза и обработки ансамблей СС высокого порядка, включая простейшие из них ССВП. В этих рабо тах рассмотрены возможности использования свойств суммарных взаимокорреля ционных функций (ВКФ) ансамблей ССВП для выделения помеховых реализаций с целью повышения помехоустойчивости, использующих их радиосистем.
В работах Литюка В.И. и Литюка Л.В. рассмотрены методы, в которых за счет использования свойств суммарных ВКФ, производится компенсация помеховых реализаций, поступающих на обработку в аддитивной смеси с ССВП.
Тем не менее, к настоящему времени недостаточно исследована эффективность радиосистем различного назначения, в которых применяются ансамбли ССВП.
Поэтому тема диссертационной работы, посвященная исследованию и разра ботке алгоритмов обработки и моделированию радиосистем, использующих ССВП, является актуальной.
Объектом исследования являются радиосистемы, использующие ССВП, и оценка их эффективности путем использования введенных критериев в виде коэф фициентов подавления помеховых реализаций.
Предметом исследования являются алгоритмы обработки ССВП, их про граммные и аппаратно-программные модели с учетом влияния параметров узлов радиосистем, использующих ССВП.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности радио систем, использующих ССВП, с учетом влияния параметров их узлов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- разработка алгоритмов обработки, учитывающих при их программной реализации особенности и ограничения, присущие реальным узлам моделируемых радиосистем для оценки их эффективности при различных видах искажений входных ССВП;
- разработка алгоритмов частотного дискриминирования принимаемого ССВП с подавленной несущей с учетом особенностей технической реализации используе мых узлов тракта их обработки для оценки эффективности радиосистем с ССВП путем их программного моделирования;
- разработка аппаратно-программного комплекса для формирования и генери рования ССВП и помеховых реализаций и их совместной программной обработки для подтверждения правильности разработанных моделей и алгоритмов, исполь зуемых при программном моделировании.
Научная новизна.
В рамках данной диссертационной работы получены следующие новые науч ные результаты:
- разработан алгоритм обработки ССВП, позволяющий учитывать параметры узлов радиосистем, использующих такие сигналы;
- определено влияние на эффективность обработки ССВП аналого-цифровых преобразователей, частотно-избирательных узлов, а также таких параметров, как длительность выборки входного процесса и погрешности оценки уровня полезного сигнала в принимаемой реализации;
- разработан алгоритм оценки сдвига подавленной несущей частоты входного ССВП в радиосистеме за счет свойств ансамблей используемых СС в приемной час ти тракта системы передачи информации;
- разработан аппаратно-программный комплекс для реализации формирования и обработки одиночного ССВП и независимых помеховых реализаций, поступаю щих на обработку в аддитивной смеси и программной реализации их обработки.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- получены результаты программного и аппаратно-программного моделирова ния, показывающие работоспособность и эффективность предложенного алгоритма компенсации помеховых реализаций, сопровождающих прием ССВП;
- получены результаты моделирования исследуемого программного алгоритма без и с учетом влияния параметров узлов радиосистем, использующих ССВП, по зволяющие оценить и выбрать параметры узлов, обеспечивающих заранее заданные требования к эффективности обработки сигналов;
- оценено влияние погрешностей измерений уровня полезного сигнала в при нимаемой реализации на степень компенсации помеховых составляющих для отно шений сигнал/помеха (ОСП) на входе от qвх 10 дБ до qвх 80 дБ;
- получены результаты моделирования частотного дискриминатора показывают возможность его реализации при ОСП qвх 0 дБ с заранее заданными точностными характеристиками, определяемые параметрами внутренних узлов, при относитель ной расстройке в диапазоне нормированных частот ±22,5 град/отсчет;
- разработан и изготовлен аппаратно-программный комплекс моделирования, позволяющий получать результаты, подтверждающие использованные теоретиче ские положения в диапазоне значений ОСП на входе от +9,5дБ до -20дБ, которые совпадают с результатами, полученными при проведении программного моделиро вания на персональном компьютере (ПК) в САПР MathCAD.
На защиту выносятся:
- алгоритмы обработки и моделирования ССВП, синтезированных с учетом особенностей используемых узлов реальных радиосистем с различными параметра ми, а именно: полосами пропускания, ограничениями длины разрядной сетки вы числителей и искажениями, вносимыми АЦП в обрабатываемые сигналы;
- алгоритм моделирования частотного дискриминирования принимаемых ССВП, представляющих собой два однополосных амплитудно-модулированных колебания (АМОБП) с подавленной несущей частотой и разными формами ампли тудно-частотных спектров (АЧС);
- алгоритм моделирования в виде аппаратно-программного комплекса, позво ляющий оценить степень совпадения получаемых результатов при проведении ап паратно-программных исследований с результатами моделирования, получаемыми при программном моделировании при одинаковых ОСП на входе.
Методы исследования основываются на использовании методов математиче ского анализа, методов ЦОС, методов анализа радиотехнических цепей и сигналов, теории сложных сигналов, метод Z-преобразований, методов моделирования по комплексной огибающей, методов статистической радиотехники, используемых для моделирования помеховых реализаций, методы спектрального анализа, методы ана логовой и цифровой схемотехники, сертифицированных программных продуктов MathCAD, Quartus и VisSim.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается результатами проведенных про граммных и аппаратно-программных исследований, их совпадением друг с другом, которые подтверждают использованные в работе теоретические положения, актами внедрения, публикациями и апробацией работы на Международных и Всероссий ских научно-технических конференциях.
Реализация результатов работы. Основные исследования, результаты кото рых представлены в диссертации, проводились в рамках госбюджетной научно исследовательской работы (НИР), проводимой на радиотехническом факультете Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ), а также в ЗАО ОКБ “Ритм”.
Результаты, полученные в диссертации внедрены в работы ЗАО ОКБ “Ритм” и в учебный процесс кафедры радиоприемных устройств и телевидения (РПрУ и ТВ) ТТИ ЮФУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсужда лись и получили одобрения на следующих научно-технических конференциях и семинарах, а именно: Тринадцатой Международной научно-технической конферен ции студентов и аспирантов (2007 г.);
VI Международном научно-техническом се минаре (2007 г.);
Четырнадцатой Международной научно-технической конферен ции студентов и аспирантов (2008г.);
IX Всероссийской научной конференции (2008 г.);
Международной научно-технической и научно-методической интернет конференции в режиме off-line (2009 г.);
X Всероссийской научной конференции (2010 г.);
VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых 3 статьи в жур налах из перечня ВАК, 1 работа в виде главы в монографии (соавтор), 3 статьи в сборниках материалов конференций и 5 тезисов докладов в сборниках материалов конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований и 3-х приложений. Основной текст работы изложен на 200 страницах машинописного текста, поясняется 222 рисунками.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, отражена научная новизна и ее практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту, дается краткое содержание глав диссертации.
В первой главе “Анализ алгоритмов моделирования и обработки сложных сигналов” проводится анализ состояния проблемы, показывающий, что в настоящее время информационные радиосистемы, использующие ССПП, практически достигли своих потенциальных возможностей. Показано, что развитие цифровой быстродейст вующей элементной базы привело к появлению работ, в которых проводится пере смотр алгоритмов синтеза, формирования, приема и обработки ансамблей СС.
Анализ показал, что появление ансамблей СС высокого порядка позволяет по лучать высокие характеристики обрабатываемых процессов. Важным частным слу чаем ансамблей СС высокого порядка является ансамбли ССВП, который обладает свойствами, недоступными ССПП, а именно: их суммарные АКФ представляют собой цифровые «–функции», а суммарные ВКФ «ортогональны в точке и на временном интервале при произвольном сдвиге».
В качестве примера рассматриваются особенности функционирования радиолокаци онной системы (РЛС) обнаружения с ССВП. При этом полагается, что каждый ССПП, составляющий ССВП, передается в верхней (ВБП) и нижней (НБП) боковых полосах од новременно. Рассматривается предложенный алгоритм приема и обработки ССВП, ком пенсирующий разные набеги фаз каждого ССПП, составляющего ССВП, по соседним частотным каналам. Показано, что рассмотренная техническая реализация позволяет учи тывать особенности обработки ССВП.
Также показано, что использование свойств ансамблей ССВП позволяет получить в пре дельном случае полное подавление помеховых реализаций в обрабатываемой аддитивной смеси.
Особенность приводимого алгоритма заключается в следующем. В передающей части РЛС обнаружения формируется сигнал x t, имеющий вид цифровой “ функции”, который подается на два формирующие фильтры (ФФ) ФФ A и ФФ C, им пульсные характеристики (ИХ) которых описываются соответствующей парой ДКП.
Излучаемый полезный сигнал представляет собой ССВП, причем каждая его состав ляющая в виде ССПП, располагается в ВБП и НБП, коэффициенты передачи в обоих частотных каналах одинаковы. К излученной паре ССПП, составляющей ССВП добав ляются независимые помеховые реализации nA t и nC t. Полученная аддитивная смесь подается на корреляционно-фильтровое устройство по двум каналам, ключевые схемы которого управляются стробирующими сигналами U упр A. U упрC, выделяющим начало и конец входной реализации. Полагается, что в этом интервале времени либо присутствует полезный сигнал в аддитивной смеси с помеховой реализацией, либо он отсутствует. Реализации с выходов ключевых схем поступают на соответствующие об рабатывающие СФ А и СФ C, составляющие сигнальный канал, ИХ которых согласова ны с откликами ФФ А и ФФ С соответственно, и сжимающие фильтры (СжФ) СжФ B и СжФ D, образующие помеховый канал. Отклики СФ и СжФ подаются на соответст вующие сумматоры, на выходах которых имеем реализации суммарных АКФ и ВКФ соответственно. Таким образом, используя свойства ансамбля ССВП, на выходах каж дого из каналов обработки, имеем систему двух уравнений с двумя неизвестными a t ax t nA t hA t nC t hC t ;
(1) b t nA t hB t nC t hC t.
Поскольку известны параметры СФ и СжФ и имея возможность хранения в па мяти отсчетов входных реализаций с выходов сигнального и помехового каналов, можно найти помеховые реализации nA t и nC t. В системе уравнений (1) также присутствует постоянный коэффициент а, определяемый уровнем полезного сигна ла в принимаемой реализации, он может быть измерен. Системы уравнений (1) ре шается в спектральной области путем использования алгоритмов прямого (БПФ) и обратного (ОБПФ) преобразований Фурье. Показано, что использование рассчитан ных помеховых реализаций nA t и nC t путем их вычитания из принятых и записан ных в памяти входных реализаций позволяет при дальнейшей обработке компенсировать помеховые реализации nA t и nC t. Особенностью описанного алгоритма являются в том, что обработка принимаемой реализации ведется по выборке длительностью, равной длительности полезного сигнала. Поэтому получить информацию о статистических ха рактеристиках помеховых реализаций невозможно.
Указывается, что не рассмотрено влияние параметров узлов радиосистем с ССВП на эффективность их применения.
Также в этой главе рассматривается метод построения частотных дискрими наторов, для управления частотой гетеродина следящего за центральной частотой принимаемого сигнала в виде двух однополосных колебаний с подавленной несу щей частотой. Рассматриваются условия, которым должны удовлетворять обраба тываемые сигналы для этого случая.
Показано, что не рассмотрены особенности спектров ССПП, составляющих ССВП, что препятствует непосредственному применению известных методов для его использования в получении требуемого управляющего сигнала гетеродина.
На основании проведенного анализа состояния проблемы указывается, что к на стоящему времени отсутствуют работы, в которых учитывалось влияние узлов радио систем с ССВП на эффективность их обработки, отсутствуют работы, в которых учиты вались бы особенности параметров ССПП, составляющих ССВП, на эффективность управления частотой гетеродина, отсутствуют модели, позволяющие программным путем оценить эффективность радиосистем с ССВП, а также отсутствуют публикации, в которых проводился бы сравнительный анализ результатов обработки, проводимых программным и аппаратно-программным моделированием.
Приводятся выводы по полученным результатам.
Во второй главе “Моделирование системы обработки одиночного слож ного сигнала второго порядка” разработан алгоритм, предназначенный для про граммного моделирования радиосистем с ССВП, в котором учитываются влияние параметров узлов этих систем. На рис. 1 приводится структурная схема алгоритма программного моделирования.
Передающая часть Приёмная часть s А (t ) ЛЗ nA (t ) у А (t ) СФ Aдоп Ключевая СФ А ПФ A пр ПФ A пер схема a (t ) АЦП ФФ А Блок БПФ NA( f ) Uупр.A(t) Блок ОБПФ СжФ B nA (t ) Блок вычисления Радиотрасса pB (t ) x(t ).
Формирователь x(t ) зондирующего импульса NC ( f ) Блок СФ C ОБПФ nC (t ) U упр.C (t) ФФ C Блок БПФ АЦП pD (t ) b(t ) Ключевая СжФ D ПФ C пр ПФ С пер схема уС (t ) nC (t ) СФ Cдоп sC (t ) ЛЗ Рис. 1. Структурная схема алгоритма программного моделирования с учетом параметров узлов радиосистемы Отличительной особенностью данного подходя является наличие полосовых фильтров (ПФ) ПФ Апер и ПФ Спер, ПФ Апр и ПФ Спр и канальных АЦП.
Показано, что алгоритм, описываемый выражением (1) имеет вид a(t ) hПФ (t ) ax(t ) hПФ (t ) n A (t ) h (t ) nС (t ) hC (t ) ;
A (2) n A (t ) hB (t ) nС (t ) hD (t ).
b(t ) hПФ (t ) В выражении (2) hПФ (t ) учитывает сквозные ИХ частотно-избирательных узлов на передающей и приемной сторонах радиосистемы.
Результаты проведенного программного моделирования алгоритма обработки ССВП показывают работоспособность алгоритма в условиях воздействия независимых помеховых реализаций в широком диапазоне значений ОСП qвх. В качестве граничной величины была выбрана величина qвх min 80 дБ, поскольку современные радиоприем ные устройства (РПрУ) обладают таким динамическим диапазоном.
При моделировании проверялась работоспособность алгоритма при qвх, а также при qвх 20дБ, qвх 40дБ и qвх 80дБ. Обработка входных реализаций осуществлялась в двух квадратурных каналах по комплексной огибающей при от сутствии доплеровского сдвига и идентичности частотных каналов. К полезным ССВП, добавлялись независимые помеховые реализации. Результаты программного моделирования представлены в виде графиков на рис. 2.
qвх qвх 20дБ qвх 80дБ Рис. 2. Выходной отклик без компенсации (слева) и с компенсацией (справа) поме ховых реализаций при ОСП qвх, qвх 20дБ и qвх 80дБ Для получения численных значений эффективности алгоритма обработки ССВП предложен коэффициент подавления помехи K под в виде N N Kпод 10lg Ai2 Ai2вых дБ, (3) вх i 1 i где Aiвх – отсчеты помеховых реализаций на входе системы;
Aiвых – отсчеты помеховых реализаций на выходе системы.
Проведен теоретический анализ влияния конечной длины разрядной сетки вычисли теля, используемого в алгоритме обработки, который позволил определить зависимость от этого параметра уровня компенсации помеховых реализаций. Показано, что результаты моделирования полностью совпадают с полученными теоретическими данными.
Разработан алгоритм моделирования, учитывающий полосы пропускания частотно избирательных узлов радиосистемы, выходных каскадов передатчика и линейного тракта радиоприемного устройства, на эффективность компенсации независимых помеховых реализаций. Для оценки влияния полосы пропускания предложен критерий эффективно сти K под (3). Результаты моделирования алгоритма приведены на рис. 3, Q N M, где N общее количество отсчетов в выборке, M количество ненулевых сигнальных отсчетов в выборке входной реализации.
qвх 60дБ K под, дБ F и 2 F и 3 F и 4 F и F и 1, Q Рис. 3. Зависимость коэффициента подавления K под от полосы пропускания частотно-избирательных узлов и длины выборки входной реализации Разработан алгоритм моделирования и проведен анализ влияния разрядности АЦП на уровень компенсации независимых помеховых реализаций. Показано, что потери, возни кающие из-за влияния ограничений, связанных с квантованием по уровню входных реа лизаций не превышает величины 3дБ.
Проведено исследование влияние погрешности оценки уровня полезного сигнала в принимаемой реализации на уровень компенсации независимых помеховых реали заций. Для количественной оценки предложен критерий в виде коэффициентов ) K комп S и K комп S, где S 1 a a – нормированный параметр, зависящий от A C разности между точным значением уровня a полезного сигнала в принимаемой реа ) ) лизации и измеренной величиной a, рассматривается случай когда a a, а также зависимость ОСП на выходе от величины S, изображенная на рис. 4.
qвых, дБ N N N qвх 60 дБ qвх 80 дБ s Рис.4. Зависимость ОСП на выходе от величины S Приводятся выводы по полученным результатам.
В третьей главе “Алгоритм частотного дискриминирования центральной частоты сложного сигнала второго порядка и его моделирование” рассматрива ются особенности частотного дискриминирования ССВП, передаваемого в виде сум мы двух АМОБП каждый и подавленной несущей частотой.
Разработан алгоритм, позволяющий проводить дискриминирование входного ССВП с подавленной несущей, имеющего различные энергетические спектры боко вых полос. Особенностью предложенного алгоритма является то, что дополнительно введенные СжФ на приемной стороне в каждом из каналов предложенного ЧД вырав нивает энергетические спектры боковых полос. В результате величина u упр ( F ) зави сит от расстройки F между опорной частотой и подавленной несущей.
Структурная схема предложенного алгоритма частотного дискриминирования изображена на рис. 5. Она отличается от структурной схемы, изображенной на рис.
1, введением амплитудных ограничителей, фильтров нижних частот (ФНЧ), диффе ренцирующих фильтров (ДФ) каналов B и D, сумматора и сглаживающего ФНЧ.
nA (t ) s А (t ) у А (t ) Ключевая ПФ пер ФФ А СФ А A схема a (t ) Uупр.A(t) ПФ пр А СжФ B АЦП Радиотрасса B (t, f ) x(t ) g B (t ) Формирователь ДФ B Огр B ФНЧ B (t, f ) u упр (t, f ) зондирующего ФНЧ импульса g D (t ) ДФ D Огр D ФНЧ D D (t, f ) АЦП СФ C U упр.C (t) b(t ) ПФ пр C Ключевая ПФ пер ФФ C СжФ D C схема nC (t ) sC (t ) уC (t ) Рис. 5. Структурная схема алгоритма частотного дискриминирования центральной частоты ССВП Результаты моделирования описываемого алгоритма показали, что линейность получаемой дискриминационной характеристики (ДХ) зависит в основном от пара метров цифровых ФНЧ B и ФНЧ D, выделяющих основные гармоники полезного сигнала. Показано, что основное влияние на полезный сигнал, подаваемый на ДФ, оказывает третья гармоника. Это определяет высокие требования к полосе пропус кания и крутизне спада АЧХ ФНЧ B и ФНЧ D, и, как следствие, к их порядкам, а также показано, что они должны быть максимально гладкими и равномерными в полосе пропускания каждого из них.
Показано, что порядок ДФ не оказывают значительного влияния на линейность ДХ, что позволило при моделировании использовать ДФ третьего порядка. Вид ДХ показан на рис. 6., где пунктиром изображена идеальная характеристика, сплошной линией – полученная в результате моделирования.
u упр F uлин F норм норм F, град отс.
Рис. 6. Виды дискриминационных характеристик Оценено, путем программного моделирования, влияние помеховых реализаций на искаже ние ДХ. Рассмотрены возможности снижения искажений ДХ за счет вычисления средних значе ний абсолютного отклонения управляющего напряжения от номинальной величины при нуле вой расстройке F=0 и последующего вычитания этого значения из управляющего напряжения.
Результаты моделирования показывают, что относительная погрешность отклонения получен ной ДХ от «идеальной» при ОСП qвх 0 дБ в рабочем диапазоне частот ±9 град/отсчет не пре вышает u норм ( F ) 0,1%, а при максимальной относительной расстройке F, соответствующий упр обрабатываемому частотному диапазону, равному ±22,5 град/отсчет, не превыша ет u норм ( F) 17,5%. Приводятся выводы по полученным результатам.
упр В четвертой главе “Особенности аппаратно-программной реализации ал горитма обработки одиночного сложного сигнала второго порядка” рассматри вается моделирование исследуемого алгоритма обработки на основе разработанного аппаратно-программного комплекса. Рассмотрен и обоснован состав его отдельных частей. Показано, что в этом комплексе целесообразно реализовать в аппаратной части имитатор ССВП и использовать внешний генератор независимых канальных помех. Суммирование ССВП с помеховыми реализациями позволяет имитировать реализации, поступающие с выходов канальных фазовых детекторов реальных РПрУ. Сформированные сигналы поступают на программную часть комплекса, а именно – на входы звуковой карты персонального компьютера (ПК), в котором осуществляется обработка полученных отсчетов в соответствии с рассматриваемым алгоритмом на основе использования разработанных программ.
На рис. 7 изображена структурная схема разработанного аппаратно программного комплекса, а на рис. 8 функциональная схема его аппаратной части.
Дается описание их работы.
В силу ограничений, накладываемых используемым программным обеспечением, получаемые отсчеты обрабатываемых реализаций, которые подвергаются аналого цифровому преобразованию в ПК, предварительно запоминаются в памяти. Аналого вые реализации, генерируемые стендом (фото слева) и записанные в ПК цифровые отсчеты входных реализаций (справа) при различных ОСП, изображены на рис. 9.
Приёмная часть Передающая часть 2 4 6 8 x A (t ) Ключевая ПФ пер АЦП ФФ А ПФ пр А СФ А A схема 12 a (t ) y A (t ) s A (t ) Осциллограф Uупр.A(t) 9 pB (t ) СжФ B nA (t ) x(t ) Формирователь b(t ) запускающего импульса 1 10 xC (t ) U упр.C (t) СФ C 3 5 11 pD (t ) Ключевая ПФ пер АЦП ФФ C СжФ D ПФ пр C C схема yC (t ) sC (t ) sC (n) nA (t ) nC (t ) ПК s A ( n) Генератор помехи Рис.7. Структурная схема аппаратной части комплекса Г Аналоговые реализации аддитивной смеси полезного сигнала с помехой, прошедшие корреляционно ПЗУ фильтровое устройство ЦАП ПК 8 АЦП МК ЦАП 5 ПЛИС Регулятор Аналоговые Генератор уровня помеховые помех (ПК1) Клавиатура сигнала реализации 8 АЦП MUX ЦАП 8 Осциллограф АЦП ЦАП Рис.8. Функциональная схема аппаратной части стенда qвх 9,5дБ qвх 10дБ qвх 20дБ Рис. 9. Аналоговые реализации, генерируемые стендом (фото слева) и записанные в ПК цифровые отсчеты входных реализаций (справа) Полученные отсчеты выводятся на экран ПК и затем переносятся в соответст вующие места программы. Далее эти отсчеты обрабатываются в соответствии с описанным ранее алгоритмом. Результирующие отклики без компенсации (фото слева) и с компенсацией (справа) помеховых составляющих при ОСП на входе qвх 9,5 дБ, qвх 10 дБ и qвх 20 дБ изображены на рис. 10.
qвх 9,5 дБ qвх 10 дБ qвх 20 дБ Рис. 10. Отклики без компенсации (фото слева) и с компенсацией (справа) помеховых составляющих при ОСП на входе qвх 9,5дБ, qвх 10дБ и qвх 20дБ Проведено сопоставление полученных результатов с использованием аппаратно программного комплекса с теоретическими результатами и с результатами, представ ленными в главе 2. Сравнительный анализ полученных результатов путем программно го моделирования алгоритма обработки (рис. 2, qвх 20дБ ) и результатов, получен ных при аппаратно-программном моделировании (рис. 10, qвх 20дБ ) показывает высокий уровень совпадения полученных результатов.
Результат программного моделирования при qвх 10дБ Результат программного моделирования при qвх 20дБ Результат аппаратно программного моделированияпри qвх 10дБ вых S Результат аппаратно программного моделированияпри qвх 20дБ S Рис. 11. Зависимость ОСП на выходе от величины S На рис. 11 приведены зависимости, показывающие разницу между результата ми, полученными в результате программного моделирования, и аппаратно программного моделирования при значениях ОСП на входе qвх 10дБ и ) qвх 20дБ в зависимости от величины S погрешности измерения уровня a по лезного сигнала в принимаемой реализации. Анализ зависимости, изображенной на рис. 11, показывает их отличие не более 2 дБ.
Приводятся выводы по полученным результатам.
В заключении обобщаются основные научные и практические результаты, полу ченные в диссертационной работе.
В приложениях представлены описание работы аппаратной части аппаратно программного комплекса, ксерокопии актов внедрения и ксерокопия справки о личном вкладе автора в работы, выполненные в соавторстве.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Разработана математическая модель и проведено программное моделирова ние алгоритма обработки ССВП без учета влияния внутренних параметров узлов радиосистемы. Полученные результаты показали работоспособность алгоритма в условиях воздействия независимых помеховых реализаций в диапазоне значений ОСП от qвх до величины qвх min 80 дБ.
2. Разработаны математические модели алгоритмов обработки для моделирова ния радиосистем с ССВП, в которых учитывается влияние параметров узлов этих систем. Оценивалось влияние на эффективность компенсации помеховых реализа ции путем использования введенного критерия Kпод, в котором учитываются влия ния длины разрядной сетки вычислителя, ширины полосы пропускания линейного тракта РПрУ, параметров АЦП и погрешности оценки уровня полезного ССВП в принимаемой реализации.
3. Результаты программного моделирования алгоритма обработки ССВП, показали, что величина компенсации помеховых реализаций зависит от величины Q и совпадает с полученными теоретическими результатами. При расширении полосы пропускания линейной части РПрУ до F 10 и, величина подавления помеховых реализации за висит лишь от длины разрядной сетки вычислителя, осуществляющего операции пре образований Фурье. Потери, связанные с влиянием конечной разрядности АЦП, отно сительно случая применения АЦП с бесконечным числом разрядов, не превышает ве личины 3дБ. Погрешности отклонения измеренного значения уровня полезного сигнала в принимаемой реализации a от a в пределах ± 20%, приводят к потерям ОСП на вы ходе в пределах (2,5-3) дБ.
4. Разработан алгоритм частотного дискриминирования ССВП с подавленной несущей за счет его свойств. Приведены результаты программного моделирования цифрового ЧД, которые показали правильность используемых теоретических поло жений. Определено влияние на линейность ДХ полосы пропускания, крутизны спа да АЧХ канальных ФНЧ и определено влияние помеховых реализаций.
5. Результаты моделирования ЧД показали, что на начальном участке ДХ нели нейность менее 0,1% пределах относительной расстройке F ±9 град/отсчет. На кра ях ДХ, равных ±22,5 град/отсчет, нелинейность достигает величин (3,5-4) %;
отно сительная погрешность отклонения ДХ от «идеальной» при ОСП qвх 0 дБ не пре вышает u норм ( F ) 17,5% обрабатываемом частотном диапазоне.
упр 6. Разработанный аппаратно-программный комплекс моделирования ССВП по казал, что в диапазоне ОСП на входе от +9,5 дБ до -20 дБ наблюдается отклонение от результатов программного моделирования не более 2дБ. Это связано с влиянием точности используемой элементной базы и измерительных приборов.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Бейко С.А., Журба А.Н. Анализ свойств сложных сигналов второго порядка и харак теристик согласованных с ними фильтров//”Радиоэлектроника, электротехника и энергетика”.
Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. 1– марта 2007. Тезисы докладов. :В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ. 2007. Т.1. С. 5.
2. Литюк В.И., Бейко С.А., Журба А.Н. Повышение помехоустойчивости радио систем, использующих сложные сигналы второго порядка//”Проблемы современной аналоговой микросхемотехники”. Сборник материалов VI Международного научно технического семинара. Часть 2. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС. 2007. С. 47-51.
3. Бейко С.А. Алгоритм повышения помехоустойчивости радиолокационных сис тем, использующие сложные сигналы второго порядка//IX Всероссийская научная кон ференция студентов и аспирантов “Техническая кибернетика, радиоэлектроника и сис темы управления”: Тезисы докладов. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ.2008. Т.1. С. 64.
4. Бейко С.А. Анализ оптимального и квазиоптимального алгоритмов обработки сложных сигналов второго порядка//IX Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов “Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления”:
Тезисы докладов. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. 2008. Т.1. С. 43.
5. Бейко С.А., Литюк В.И., Литюк Л.В. Моделирование системы обработки оди ночного радиолокационного сложного сигнала второго порядка//В кн. “Теоретические и практические аспекты цифровой обработки сигналов в информационно телекоммуникационных системах”. Монография. Под ред. В.И. Марчука. – Шахты:
ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». 2009. С. 237-266.
6. Литюк Л.В., Литюк В.И., Бейко С.А. Об особенностях моделирования алгоритма обнаружения сложного сигнала второго порядка//Материалы Международной научно технической и научно-методической интернет-конференции в режиме off-line “Проблемы современной системотехники”. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. 2009. С. 10-55.
7. * Литюк Л.В., Литюк В.И., Бейко С.А. О слежении за частотой сигнала в ин формационных системах со сложными сигналами второго порядка//Известия высших учебных заведений России “Радиоэлектроника”. 2010. №2. С. 23-30.
8. Литюк Л.В., Литюк В.И., Бейко С.А. Слежение за частотой в системе передачи информации со сложными сигналами второго порядка//Вестник Государственного пе дагогического института. “Физико-математические и естественные науки”. – Таганрог:
Изд. центр Таганрог. гос. пед. ин-та. 2010. №1. С. 206-212.
9. Бейко С.А. Анализ влияния погрешности измерения амплитуды сложного сигна ла второго порядка на помехоустойчивость алгоритма его обработки//X Всероссийская научная конференция “Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управле ния (КРЭС-2010)”. Тезисы докладов. Т. 1. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. С. 29-30.
10. Бейко С.А. Об особенностях моделирования алгоритма слежения за центральной частотой в радиосистеме со сложными сигналами второго порядка//VII Ежегодная науч ная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН.
Тезисы докладов. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. 360 с. С.155-156.
11. * Литюк Л.В., Литюк В.И., Бейко С.А. Обеспечение безопасности информаци онного обмена в мобильной системе радиосвязи//”Радиотехника”. 2011. №7. С. 11-16.
12. * Литюк Л.В., Литюк В.И., Бейко С.А. Особенности цифровой реализации час тотного дискриминатора в информационной радиосистеме со сложными сигналами второго порядка//”Радиотехника”. 2011. №9. С. 62-67.
* - Работы в журналах из перечня ВАК Подп. в печать _..2012 г. Заказ № объем 1 печ. л. Тираж 100 экз.
Типография технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге Пер. Некрасовский,44, г. Таганрог, Ростовская обл., ГСП-17А, 347928.