Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обеспечения радиосвязи при наличии большого числа помех различной природы. Технический результат - повышение помехоустойчивости и мобильности системы связи. Устройство содержит М (М 2) радиостанций, каждая из которых содержит N (N 1) разнесенных антенн, подключенных к первым входам соответствующих приемных трактов, N аналого-цифровых преобразователей, радиомодем с подключенной приемопередающей антенной, мультиплексор, демультиплексор, адаптивный компенсатор помех, опорный генератор и блок управления. 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2439794

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обеспечения радиосвязи при наличии большого числа помех различной природы.

Известна система радиосвязи, в радиостанциях (PC) которой используются адаптивные компенсаторы помех (АКП), приведенные, например, в описании полезной модели № 30044 «Адаптивный компенсатор помех», 2002 г.

Недостатком указанного АКП является низкая эффективность при работе системы связи в сложной помеховой обстановке при числе помех больше одной.

Наиболее близкой по технической сущности является система радиосвязи, в радиостанции которой используется многоканальный адаптивный компенсатор помех, описанный в книге «Адаптивная компенсация помех в каналах связи» / Под ред. Ю.И.Лосева, М., Радио и связь, 1988, стр.22, принятая за прототип.

Структурная схема системы-прототипа, состоящей из N радиостанций, приведена на фиг.1.

Схема приемной части радиостанции-прототипа приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - N - разнесенные антенные элементы;

2 - N - приемные тракты;

3 - блок управления;

4 - опорный генератор;

6 - N-канальный адаптивный компенсатор помех (АКП).

Приемная часть радиостанции-прототипа содержит N разнесенных антенн 1, подключенных к первым входам соответствующих N приемных трактов 2. Выход общего опорного генератора 4 подключен ко вторым входам соответствующих N приемных каналов 2, линейные выходы которых через соответствующие N аналого-цифровые преобразователи 5 подключены к соответствующим входам N-канального АКП 6, выход которого является выходом полезного сигнала. Выход блока управления 3 соединен с третьими входами приемных трактов 2.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Полезный сигнал и помехи, приходящие с различных направлений, принимаются одновременно всеми антеннами 1. С выходов приемных антенн смесь сигнала и помех поступает на входы соответствующих приемных трактов 2, где производится частотная селекция, преобразование входного колебания на промежуточную частоту и необходимое линейное усиление. Для когерентного приема сигналов N разнесенными антеннами 1 используется общий опорный генератор 4. Блок управления 3 формирует сигналы, управляющие частотой настройки и другими параметрами всех приемных трактов одновременно.

Смеси сигнала и помех с выхода каждого приемного тракта преобразуются в N аналого-цифровых преобразователях 5 в цифровые отсчеты и поступают на вход N-канального компенсатора помех 6. На выходе АКП 6 формируются отсчеты полезного сигнала, очищенного от помех для дальнейшей обработки в радиостанции: демодуляции, декодирования и т.д.

С одной стороны, необходимость одновременного подавления большого (больше одной) числа помех возникает достаточно редко. И поэтому большие габариты и масса PC, обусловленные наличием многоканального приемного устройства и многоэлементной антенной системы, в большинстве случаев являются избыточными. С другой стороны, в случае, например, военной радиосвязи даже короткое нарушение связи вследствие воздействия помех влечет за собой исключительно тяжелые потери. Отсюда возникает необходимость компромисса, заключающегося в том, чтобы число компенсационных каналов приема АКП наращивать только по мере появления помеховых воздействий, то есть необходимость в динамическом изменении конфигурации приемного устройства PC в зависимости от помеховой обстановки. А это возможно при совместном использовании приемных каналов и антенн близко (на расстоянии нескольких длин волн) расположенных однотипных PC, например, узла связи.

Недостатком известной системы связи является громоздкость реализации в радиостанциях многоканального приемного устройства и многоэлементной антенной системы. Этот недостаток является решающим в случае, например, мобильных средств связи.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение помехоустойчивости и мобильности системы связи.

Для решения поставленной задачи в систему радиосвязи, состоящую из М (М 2) радиостанций, каждая из которых содержит N (N 1) разнесенных антенн, подключенных к первым входам соответствующих приемных трактов, линейные выходы которых через соответствующие N аналого-цифровые преобразователи подсоединены к соответствующим N входам адаптивного компенсатора помех, а также опорный генератор, выход которого соединен со вторыми входами N приемных трактов, и блок управления, подключенный к третьим входам приемных трактов, согласно изобретению, в приемную часть каждой радиостанции системы введены радиомодем с подключенной приемопередающей антенной, а также мультиплексор и демультиплексор, причем выходы N аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами мультиплексора, выход которого соединен с информационным входом радиомодема, информационный выход которого соединен с входами блока управления и демультиплексора, К выходов которого подсоединены к соответствующим введенным К входам адаптивного компенсатора помех, при этом управляющие входы мультиплексора, демультиплексора и радиомодема подсоединены к соответствующим выходам блока управления.

Схема приемной части PC, входящей в предлагаемую систему радиосвязи, приведена на фиг.3, где обозначено:

1.1-1.N - разнесенные антенные элементы;

2.1-2.N - приемные тракты;

3 - блок управления;

4 - опорный генератор;

5.1-5.N - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

6 - N-канальный аналоговый компенсатор помех (АКП);

7 - мультиплексор;

8 - демультиплексор;

9 - радиомодем;

10 - приемопередающая антенна радиомодема.

Предлагаемое устройство содержит N приемных антенн 1, подсоединенных к первым входам соответствующих N приемных трактов 2, выходы которых соединены с входами соответствующих N АЦП 5, выходы которых соединены с соответствующими N входами АКП 6, выход которого является выходом полезного сигнала. При этом выход опорного генератора 4 соединен со вторыми входами N приемных трактов 2. Кроме того, выходы N АЦП 5 соединены с соответствующими входами мультиплексора 7, выход которого соединен с информационным входом радиомодема 9 с подключенной к его другому входу приемопередающей антенной 10, информационный выход радиомодема 9 подсоединен к входам демультиплексора 8 и блока управления 3. Причем К выходов демультиплексора 8 соединены с введенными К входами АКП 6 соответственно. Первый выход блока управления 3 соединен со вторыми входами приемных трактов 2. Управляющие входы мультиплексора 7, демультиплексора 8 и радиомодема 9 подсоединены к соответствующим выходам блока управления 3.

В каждой радиостанции, имеющей минимальное число антенн N (следовательно, минимальные габариты), например, две, имеется встроенный АКП с (N+K) входами, позволяющий компенсировать (N+K-1) помех. Из них N входов обеспечиваются собственными антеннами, а К дополнительных входов обеспечиваются антеннами соседних PC, оцифрованные сигналы которых передаются с помощью встроенных радиомодемов. При одновременном воздействии более чем одной помехи, двухканальный компенсатор не позволяет выделять полезный сигнал.

В этом случае в предлагаемой системе связи PC, обслуживающая абонента с высоким приоритетом, имеет возможность увеличить число подавляемых помех без увеличения своих габаритов за счет использования дополнительных антенн и приемных трактов, расположенных в других радиостанциях узла связи.

Для обеспечения такой возможности в каждую PC дополнительно введен радиомодем с приемопередающей антенной, работающий в другом частотном диапазоне. Он обеспечивает, во-первых, внешнее управление по радиоканалу от более приоритетного абонента режимом работы (частотой настройки и т.д.) отдельных радиотрактов в PC. Во-вторых, через радиомодем передаются (или принимаются) цифровые значения отсчетов сигналов с выхода линейных радиотрактов соседних PC.

Предлагаемая система связи работает следующим образом.

Каждая PC может работать в системе либо как ведущая (с высоким приоритетом), либо как ведомая (с низким приоритетом).

В первом случае (с высоким приоритетом) PC работает следующим образом.

Начальная организация локальной сети встроенных радиомодемов не требует внешних команд и обеспечивается их внутренним программным обеспечением, как только они оказываются на расстоянии взаимной досягаемости. При этом радиомодемы автоматически обмениваются технологическими данными, в частности, о значении системного времени, взаимных приоритетах и т.п. Это реализовано в большинстве известных встраиваемых радиомодемах, например, таких как Bluetooth, ZigBee и др.

Далее, блок управления 3 ведущей PC через свой радиомодем передает ведомым PC команды, обеспечивающие настройку этих PC на одну и ту же частоту, а затем инициирует передачу через их встроенные радиомодемы цифровых отсчетов принятых сигналов.

Принятые по каналу радиомодема оцифрованные сигналы ведомых PC после демодуляции поступают на демультиплексор 8 и вход блока управления 3. В зависимости от индивидуального номера ведомой PC и номера ее антенны в локальной сети, блок управления адресует отсчеты сигнала этой PC на одни и те же выходы демультиплексора 8. Таким образом, на N входов АКП поступают отсчеты сигналов собственных радиотрактов, а на К других входов поступают отсчеты К ведомых PC. В результате количество подавляемых помех увеличивается до (N+K-1) без увеличения габаритов PC.

Во втором случае (с низким приоритетом) PC работает следующим образом.

После начальной организации локальной сети радиомодемов ведомая PC через свой радиомодем принимает команды управления настройкой (их получает блок управления PC), а затем блок управления 3 направляет последовательно через мультиплексор 7 отсчеты сигналов N приемных каналов на информационный вход радиомодема 9. Отсчеты сигналов радиотрактов передаются в виде пакетов в ведущую PC.

На фиг.4 представлена временная диаграмма сигналов (пакетов), принимаемых ведущей радиостанцией по каналу радиомодема 9. В момент Т=0 в самой ведущей радиостанции (в АЦП 5) производится взятие отсчетов сигналов с выхода собственных приемных трактов 2.

Длительность кадра, в котором периодически передаются данные от других PC, не должна превышать длительности интервала дискретизации Т д =1/F д, где F д - частота дискретизации принимаемого сигнала. Она, как известно, должна быть, по крайней мере, в два раза выше верхней частоты в спектре сигнала. Таким образом, до конца интервала Т д в ведущей PC оказываются отсчеты сигнала, принятого соседними PC в один и тот же момент времени.

Благодаря наличию в локальной сети системных часов, отсчеты сигналов во всех разнесенных радиотрактах производятся одновременно. Пакетный режим передачи отсчетов позволяет затем объединять на входе АКП 6 ведущей PC отсчеты сигналов, взятые в один и тот же момент в разнесенных ведомых PC.

Пространственно-разнесенный прием, осуществляемый с помощью приемных радиотрактов других объектов, связанных по локальной сети, будем называть сетевым приемом.

Таким образом, в условиях сетевого приема все антенны, подключенные к своим радиотрактам PC, расположенных на узле связи, представляют собой общий ресурс, который может оперативно перераспределяться с помощью локальной сети, образованной встроенными в PC радиомодемами, в зависимости от числа и приоритета обслуживаемых абонентов и изменяющейся помеховой обстановки.

Такое построение системы связи обеспечивает в самом крайнем случае, при воздействии комплекса помех, объединение ресурсов всех имеющихся на узле связи PC для обеспечения устойчивой связью наиболее приоритетное должностное лицо.

Кроме этого, в предлагаемой системе связи обеспечивается существенное повышение надежности радиосвязи путем предоставления технической возможности любому должностному лицу (при оперативной необходимости или в случае отказа своей PC) воспользоваться любой работоспособной PC соседних объектов, охваченных локальной сетью связи и управления.

В частном случае, в каждой PC системы может быть одна антенна и один приемный тракт (N=1). Такая PC лишена возможности подавления помех. Однако, благодаря наличию в ней АКП с (К+1) входами, появляется возможность обеспечить подавление К помех при наличии в зоне локальной сети К PC.

Описанное объединение ресурсов с целью помехоустойчивости наиболее ответственных линий связи возможно не только при организации узла связи, но в любом случае, когда PC оказываются в пределах досягаемости встроенных радиомодемов. Например, при движении отдельных PC на транспортных средствах в колонне, когда близко расположенные PC могут быть объединены через локальную сеть.

Радиостанции, входящие в предлагаемую систему связи, могут быть реализованы из широко известных узлов, назначение которых ясно из прилагаемых чертежей и к которым не предъявляются специфические дополнительные требования. Так, для реализации радиоприемных трактов существует большое количество наборов микросхем (чипсетов) от разных мировых производителей.

В качестве встроенных радиомодемов можно использовать известные законченные решения, например, радиомодемы ZigBee, Bluetooth или им подобные, обеспечивающие высокое качество передачи цифровой информации со скоростью порядка 2 Мбит/с на расстоянии до 100 м.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Помехоустойчивая система радиосвязи, состоящая из М (М 2)

радиостанций, каждая из которых содержит N (N 1) разнесенных антенн, подключенных к первым входам соответствующих приемных трактов, линейные выходы которых через соответствующие N аналого-цифровые преобразователи подсоединены к соответствующим N входам адаптивного компенсатора помех, а также опорный генератор, выход которого соединен со вторыми входами N приемных трактов, и блок управления, подключенный к третьим входам приемных трактов, отличающаяся тем, что в приемную часть каждой радиостанции системы введены радиомодем с подключенной приемопередающей антенной, а также мультиплексор и демультиплексор, причем выходы N аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами мультиплексора, выход которого соединен с информационным входом радиомодема, информационный выход которого соединен с входами блока управления и демультиплексора, К выходов которого подсоединены к соответствующим введенным К входам адаптивного компенсатора помех, при этом управляющие входы мультиплексора, демультиплексора и радиомодема подсоединены к соответствующим выходам блока управления.

Выполняем все виды студенческих работ

Помехоустойчивость радиоканала связи с удаленными стационарными объектами

Тип работы: Реферат Предмет: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Оригинальная работа

Тема

Выдержка из работы

Автоматика. Информатика. Управление. Приборы УДК 621.396.96

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РАДИОКАНАЛА СВЯЗИ С УДАЛЕННЫМИ СТАЦИОНАРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ В. В. Аксенов, В. И. Павлов Кафедра «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», ФГБОУВПО «ТГТУ" — [email protected]

Представлена членом редколлегии профессором Д. Ю. Муромцевым Ключевые слова и фразы: индикаторные функции помех- канал связи- помехоустойчивость.

Аннотация: Рассмотрены математические модели сигналов и преднамеренных помех применительно к каналу связи с удаленными стационарными объектами. Предложено использование совокупности индикаторных функций помех для повышения помехоустойчивости канала радиосвязи. Представлен пример использования индикаторной функции.

Радиосистемы управления и связи, как правило, являются составной частью сложных комплексов управления (объектами, людьми) и предназначаются для передачи измерительной информации, характеризующей вектор состояния управляемых объектов, передачи командной и различного вида связной информации . При этом требуемая точность передачи сообщений, а также и выполнение других функций должны достигаться в сложной помеховой обстановке, что в значительной степени будет определяться помехоустойчивостью канала связи .

В связи со сложной криминогенной обстановкой и террористической угрозой важное значение имеет устойчивость канала связи к действию преднамеренных помех, создаваемых третьими лицами с целью искажения, приостановки или прекращения передачи информации. Отдельного внимания требуют объекты, имеющие критически важное значение (например, магистральные продуктопроводы), использующие открытые каналы связи для мониторинга технического состояния.

Как правило, для таких объектов известен характер и структура передаваемой по каналу связи информации (сигналы с датчиков, команды управления отдельными устройствами). Сообщения обычно передаются периодически и в пакетном режиме. Третьими лицами с помощью средств радиотехнической разведки возможно длительное накапливание информации о режиме связи, используемых частотных диапазонах, типах сигналов, модуляции и пр.

Данная информация может использоваться как для формирования режима противодействия системе связи в целом, так и конкретных преднамеренных помех каналу. Поэтому для повышения помехоустойчивости возникает необходимость своевременного обнаружения факта присутствия преднамеренной помехи в принятом сигнале и адаптации канала связи к действию помехи.

Как известно , помехозащищенность средств радиосвязи (СРС) достигается за счет комплекса организационных мер, способов и средств, направленных на обеспечение устойчивой работы СРС в условиях воздействия организованных (преднамеренных) помех радиоэлектронного подавления (РЭП).

Процесс функционирования СРС в условиях организованных помех по своей физической сущности может быть представлен как радиоэлектронный конфликт, в котором с одной стороны участвуют СРС, а с другой — система РЭП, состоящая в общем случае из станции радиотехнической разведки (РТР) и непосредственно станции помех. На рисунке 1 в общем виде представлена структурная схема радиоэлектронного конфликта.

Проблеме защиты канала связи от преднамеренных помех уделяется немалое внимание . Защищенным считается канал, обеспечивающий требуемые показатели скрытности передачи информации и устойчивости к действию преднамеренных помех. Модель защищенного канала связи (ЗКС) должна дополнительно содержать модель специально разработанного передаваемого сигнала, модель преднамеренных помех, способы борьбы с помехами.

Модель передаваемого сигнала. В общем случае в ЗКС сигналы s (t) передаются при воздействии мультипликативной ^(t) и аддитивной?(t) помех (рис. 1). Эти помехи следует рассматривать как непреднамеренные. Если преднамеренные помехи отсутствуют, то на входе приемника наблюдаются реализации случайного процесса

x (t)=Kt)s (t)+^(t). (1)

Функция ^(t) — случайный процесс, причем ^(t) > 0, t е R = . — М.: Радио и связь, 2003. — 640 с.

5. Борисов В. И. Помехозащищенность систем радиосвязи: основы теории и принципы реализации. — М.: Наука, 2009. — 358 с.

6. Варакин, Л. Е. Теория сложных сигналов / Л. Е. Варакин. — М.: Сов. радио, 1970. — 376 с.

7. Павлов, В. И. Оптимальное обнаружение изменения свойств случайных последовательностей по информации измерителя и индикатора / В. И. Павлов // Автоматика и телемеханика. — 1998. — № 1. — С. 54−59.

Stability to Hindrances of the Radio Channel of Communication with Remote Stationary Objects

V.V. Aksenov, V. I Pavlov

Department «Design of Radio Electronic and Microprocessor Systems «, TSTU-

Key words and phrases: communication channel- indication functions of hindrances- stability to hindrances.

Abstract: Mathematical models of signals and deliberate hindrances with reference to a communication channel with remote stationary objects are considered. The use of set of indication functions of hindrances for increase of stability to hindrances of the channel of radio communication is offered. The example of use of indication function with some deliberate hindrances is presented.

Storungsstabilitat des Funkkanals der Kommunikation mit den entfernten Stationarobjekten

Zusammenfassung: Es sind die matematischen Modelle der Signale und der vorausgesehenen Storungen in bezug auf den Kommunikationskanal mit den entfernten Stationarobjekten betrachtet. Es ist die Benutzung der Gesamtheit der Indikatorfunktionen der Storungen fur die Erhohung der Storungsstabilitat des Funkkanals der Kommunikation vorgeschalagen. Es ist das Beispiel der Benutzung der Indikatorfunktion dargelegt.

Rigidite aux erreurs de la chaine de liaison de radio avec les objets stationnaires eloignes

Resume: Sont examines les modeles mathematiques des signaux et des erreurs deliberees conformement a la chaine de liaison de radio avec les objets stationnaires eloignes. Est proposee l’utilisation de l’ensemble des fonctions indiquees des erreurs pour l’augmentation de la rigidite aux erreurs de la chaine de liaison de radio, est presente l’exemple de l’utilisation de la fonction indiquee.

Авторы: Аксенов Виктор Владимирович — аспирант кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем" — Павлов Владимир Иванович — доктор технических наук, профессор кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Рецензент: Шамкин Валерий Николаевич — доктор технических наук, профессор кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Заполнить форму текущей работой

Другие работы

Название		Тип

Помехоустойчивость ШПСС

Основные сведения о широкополосных сигналах

1.1Определение ШПС. Применение ШПС в системах связи

Широкополосными (сложными, шумоподобными) сигналами (ШПС) называют такие сигналы, у которых произведения активной ширины спектра F на длительность T много больше единицы. Это произведение называется базой сигнала B. Для ШПС

B = FT>>1 (1)

Широкополосными сигналы иногда называют сложными в отличие от простых сигналов (например, прямоугольные, треугольные и т.д.) с В=1.Поскольку у сигналов с ограниченной длительностью спектр имеет неограниченную протяженность, то для определения ширины спектра используют различные методы и приемы.

Повышение базы в ШПС достигается путем дополнительной модуляции (или манипуляции) по частоте или фазе на времени длительности сигнала. В результате, спектр сигнала F (при сохранении его длительности T) существенно расширяется. Дополнительная внутрисигнальная модуляция по амплитуде используется редко.

В системах связи с ШПС ширина спектра излучаемого сигнала F всегда много больше ширины спектра информационного сообщения.

ШПС получили применение в широкополосных системах связи (ШПСС), так как:

· позволяют в полной мере реализовать преимущества оптимальных методов обработки сигналов;

· обеспечивают высокую помехоустойчивость связи;

· позволяют успешно бороться с многолучевым распространением радиоволн путем разделения лучей;

· допускают одновременную работу многих абонентов в общей полосе частот;

· позволяют создавать системы связи с повышенной скрытностью;

· обеспечивают электромагнитную совместимость (ЭМС) ШПСС с узкополосными системами радиосвязи и радиовещания, системами телевизионного вещания;

· обеспечивают лучшее использование спектра частот на ограниченной территории по сравнению с узкополосными системами связи.

Помехоустойчивость ШПСС

Она определяется широко известным соотношением, связывающим отношение сигнал-помеха на выходе приемника q 2 с отношением сигнал-помеха на входе приемника ρ 2:

q 2 = 2Вρ 2 (2)

где ρ 2 = Р с /Р п (Р с, Р п - мощности ШПС и помехи);

q 2 = 2E/ N п,Е - энергия ШПС, N п - спектральная плотность мощности помехи в полосе ШПС. Соответственно Е = Р с Т, a N п = Р п /F;

В- база ШПС.

Отношение сигнал-помеха на выходе q 2 определяет рабочие характеристики приема ШПС, а отношение сигнал-помеха на входе ρ 2 - энергетику сигнала и помехи. Величина q 2 может быть получена согласно требованиям к системе (10...30 дБ) даже если ρ 2 <<1. Для этого достаточно выбрать ШПС с необходимой базой В, удовлетворяющей (2). Как видно из соотношения (2), прием ШПС согласованным фильтром или коррелятором сопровождается усилением сигнала (или подавлением помехи) в 2Враз. Именно поэтому величину

К ШПС = q 2 /ρ 2 (3)

называют коэффициентом усиления ШПС при обработке или просто усилением обработки. Из (2), (3) следует, что усиление обработки К ШПС = 2В. В ШПСС прием информации характеризуется отношением сигнал помеха h 2 = q 2 /2, т.е.

h 2 = Вρ 2 з (4)

Соотношения (2), (4) являются фундаментальными в теории систем связи с ШПС. Они получены для помехи в виде белого шума с равномерной спектральной плотностью мощности в пределах полосы частот, ширина которой равна ширине спектра ШПС. Вместе с тем эти соотношения справедливы для широкого круга помех (узкополосных, импульсных, структурных), что и определяет их фундаментальное значение.

Таким образом, одним из основных назначений систем, связи с ШПС является обеспечение надежного приема информации при воздействии мощных помех, когда отношение сигнал-помеха на входе приемника ρ 2 может быть много меньше единицы. Необходимо еще раз отметить, что приведенные соотношения строго справедливы для помехи в виде гауссовского случайного процесса с равномерной спектральной плотностью мощности («белый» шум).

Основные виды ШПС

Известно большое число различных ШПС, свойства которых нашли отражение во многих книгах и журнальных статьях. ШПС подразделяются на следующие виды:

· частотно-модулированные (ЧМ) сигналы;

· многочастотные (МЧ) сигналы;

· фазоманипулированные (ФМ) сигналы (сигналы с кодовой фазовой модуляцией - КФМ сигналы);

· дискретные частотные (ДЧ) сигналы (сигналы с кодовой частотной модуляцией - КЧМ сигналы, частотно-манипулированные (ЧМ) сигналы);

· дискретные составные частотные (ДСЧ) (составные сигналы с кодовой частотной модуляцией - СKЧM сигналы).

Частотно-модулированные (ЧМ) сигналы являются непрерывными сигналами, частота которых меняется по заданному закону. На рисунке 1а, изображен ЧМ сигнал, частота которого меняется по V -образному закону от f 0 -F/2до f 0 +F/2, где f 0 - центральная несущая частота сигнала, F- ширина спектра, в свою очередь, равная девиации частоты F= ∆f д. Длительность сигнала равна Т.

Нарисунке 1б представлена частотно-временная (f, t)- плоскость, накоторой штриховкой приближенно изображено распределение энергии ЧМ сигнала по частоте и по времени.

База ЧМ сигнала по определению (1) равна:

B = FT=∆f д T (5)

Частотно-модулированные сигналы нашли широкое применение в радиолокационных системах, поскольку для конкретного ЧМ сигнала можно создать согласованный фильтр на приборах с поверхностными акустическими волнами (ПАВ). В системах связи необходимо иметь множество сигналов. При этом необходимость быстрой смены сигналов и переключения аппаратуры формирования и обработки приводят к тому, что закон изменения частоты становится дискретным. При этом от ЧМ сигналов переходят к ДЧ сигналам.

Многочастотные (МЧ) сигналы (рисунок 2а) являются суммой N гармоник u(t) ... u N (t), амплитуды и фазы которых определяются в соответствии с законами формирования сигналов. Начастотно-временной плоскости (рисунок 2б) штриховкой выделено распределение энергии одного элемента (гармоники) МЧ сигнала на частоте f k . Все элементы (все гармоники) полностью перекрывают выделенный квадрат со сторонами Fи T. База сигнала B равна площади квадрата. Ширина спектра элемента F 0 ≈1/Т. Поэтому база МЧ сигнала

B = F/F 0 =N (6)

Рисунок 1 - Частотно-модулированный сигнал и частотно-временная плоскость

т. е. совпадает с числом гармоник. МЧ сигналы являются непрерывными и для их формирования и обработки трудно приспособить методы цифровой техники. Кроме этого недостатка, они обладают также и следующими:

а) у них плохой пик-фактор (см. рисунок 2а);

б) для получения большой базы В необходимо иметь большое число частотных каналов N. Поэтому МЧ сигналы в дальнейшем не рассматриваются.

Фазоманипулированные (ФМ) сигналы представляют последовательность радиоимпульсов, фазы которых изменяются по заданному закону. Обычно фаза принимает два значения (0 или π). При этом радиочастотному ФМ сигналу соответствует видео- ФМ сигнал (рисунок 3а), состоящий из положительных и отрицательных импульсов. Если число импульсов N, то длительность одного импульса равна τ 0 = T/N, а ширина его спектра равна приближенно ширине спектра сигнала F 0 = 1/τ 0 =N/Т.На частотно-временной плоскости (рисунок 3б) штриховкой выделено распределение энергии одного элемента (импульса) ФМ сигнала. Все элементы перекрывают выделенный квадрат со сторонами F и Т. База ФМ сигнала

B = FT =F/τ 0 =N, (7)

т.е. B равна числу импульсов в сигнале.

Возможность применения ФМ сигналов в качестве ШПС с базами В = 10 4 ...10 6 ограничена в основном аппаратурой обработки. При использовании согласованных фильтров в виде приборов на ПАВ возможен оптимальный прием ФМ сигналов с максимальными базами Вмах=1000 ... 2000. ФМ сигналы, обрабатываемые такими фильтрами, имеют широкие спектры (порядка 10 ... 20 МГц) и относительно короткие длительности (60 ... 100 мкс). Обработка ФМ сигналов с помощью видеочастотных линий задержки при переносе спектра сигналов в область видеочастот позволяет получать базы В = 100 при F≈1 МГц, Т≈ 100 мкс.

Весьма перспективными являются согласованные фильтры на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Согласно опубликованным данным с помощью согласованных фильтров ПЗС можно обрабатывать ФМ сигналы с базами 10 2 ... 10 3 при длительностях сигналов 10 -4 ... 10 -1 с. Цифровой коррелятор на ПЗС способен обрабатывать сигналы до базы 4∙10 4 .

Рисунок 2 - Многочастотныйсигнал и частотно-временная плоскость

Рисунок 3 - Фазоманипулированныйсигнал и частотно-временная плоскость

Следует отметить, что ФМ сигналы с большими базами целесообразно обрабатывать с помощью корреляторов (на БИС или на ПЗС). При этом, В = 4∙10 4 представляется предельной. Но при использовании корреляторов необходимо в первую очередь решить вопрос об ускоренном вхождении в синхронизм. Так как ФМ сигналы позволяют широко использовать цифровые методы и технику формирования и обработки, и можно реализовать такие сигналы с относительно большими базами, то поэтомy ФМ сигналы являются одним из перспективных видов ШПС.

Дискретные частотные (ДЧ) сигналы представляют последовательность радиоимпульсов (рисунок 4а), несущие частоты которых изменяются по заданному закону. Пусть число импульсов в ДЧ сигнале равно М, длительность импульса равна Т 0 =Т/М, его ширина спектра F 0 =1/Т 0 =М/Т. Над каждым импульсом (рисунок 4а) указана его несущая частота. На частотно-временной плоскости (рисунок 4б) штриховкой выделены квадраты, в которых распределена энергия импульсов ДЧ сигнала.

Как видно из рисунка 4б, энергия ДЧ сигнала распределена неравномерно на частотно-временной плоскости. База ДЧ сигналов

B = FT =МF 0 МТ 0 =М 2 F 0 Т 0 = М 2 (8)

поскольку база импульса F 0 T 0 = l. Из (8) следует основное достоинство ДЧ сигналов: для получения необходимой базы Вчисло каналов M = , т. е. значительно меньше, чем для МЧ сигналов. Именно это обстоятельство и обусловило внимание к таким сигналам и их применение в системах связи. Вместе с тем для больших баз В = 10 4 ... 10 6 использовать только ДЧ сигналы нецелесообразно, так как число частотных каналов М = 10 2 ... 10 3 , что представляется чрезмерно большим.

Дискретные составные частотные (ДСЧ) сигналы являются ДЧ сигналами, у которых каждый импульс заменен шумоподобным сигналом. На рисунке 5а изображен видеочастотный ФМ сигнал, отдельные части которого передаются на различных несущих частотах. Номера частот указаны над ФМ сигналом. На рисунке 5б изображена частотно-временная плоскость, на которой штриховкой выделено распределение энергии ДСЧ сигнала. Рисунок 5б по структуре не отличается от рисунка 4б, но для рисунка 5б площадь F 0 T 0 = N 0 -равна числу импульсов ФМ сигнала в одном частотном элементе ДСЧ сигнала. База ДСЧ сигнала

B = FT =М 2 F 0 Т 0 = N 0 М 2 (9)

Число импульсов полного ФМ сигнала N=N 0 М

Рисунок 4 - Дискретный частотныйсигнал и частотно-временная плоскость

Изображенный на рисунке 5 ДСЧ сигнал содержит в качестве элементов ФМ сигналы. Поэтому такой сигнал сокращенно будем называть ДСЧ-ФМ сигнал. В качестве элементов ДСЧ сигнала можно взять ДЧ сигналы. Если база элемента ДЧ сигнала B = F 0 T 0 = М 0 2 то база всего сигнала B = М 0 2 М 2

Рисунок 5 - Дискретный составной частотныйсигнал с фазовой манипуляцией ДСЧ-ФМ и частотно-временная плоскость.

Такой сигнал можно сокращенно обозначать ДСЧ-ЧМ. Число частотных каналов в ДСЧ-ЧМ сигнале равно М 0 М. Если ДЧ сигнал (см. рисунок 4), и ДСЧ-ЧМ сигнал имеют равные базы, то они имеют и одинаковое число частотных каналов. Поэтому особых преимуществ ДСЧ-ЧМ сигнал перед ДЧ сигналом не имеет. Но принципы построения ДСЧ-ЧМ сигнала могут оказаться полез­ными при построении больших систем ДЧ сигналов. Таким образом, наиболее перспективными ШПС для систем связи являются ФМ, ДЧ, ДСЧ-ФМ сигналы.

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ

Основные понятия и термины

Основными задачами, стоящими перед техникой связи, является решение двух проблем:

1) эффективности связи;

2) помехоустойчивости связи.

Эффективность связи заключается в том, чтобы передать наибольшее количество информации наиболее экономным способом.

Скорость передачи информации по каналу связи измеряется количеством информации, передаваемой в единицу времени. Максимальная скорость передачи информации, которую может обеспечить канал связи с данными характеристиками, называется его пропускной способностью.

Помехоустойчивость связи – это способность системы сохранять свои функции неизменными или изменяющимися в допустимых пределах при действии помех.

Количественно помехоустойчивость оценивается различными показателями, использующими вероятностное описание сигналов и помех. Например, применяются такие показатели, как отношение сигнал/шум на входе и выходе приёмного устройства, вероятность правильного обнаружения сигнала, при передаче дискретных сообщений используется вероятность ошибки, а при передаче непрерывных сообщений в качестве меры различия между переданным и принятым сообщением часто используется среднеквадратическое отклонение.

В теории помехоустойчивости различают две основные задачи – анализ и синтез сигналов.

Задача анализа состоит в расчете показателей помехоустойчивости существующих (разработанных) систем. В этом случае, полагая известными вероятностное описание сигнала и помехи на входе, определяют вероятностные характеристики выходного процесса, а по нему – показатели помехоустойчивости. Эта задача, по своей сути, сводится к анализу прохождения случайного процесса через линейные и нелинейные цепи, из которых состоит система.

Задача синтеза заключается в определении структурной схемы системы или, в более простом варианте, структурной схемы радиоприёмного устройства, которое обладало бы наилучшими, или оптимальными, показателями помехоустойчивости при заданном предназначении устройства и при известном вероятностном описании сигнала и помехи на входе.

Задача синтеза называется также задачей оптимального радиоприёма и разделяется на четыре частные подзадачи: обнаружения сигнала, различения сигналов, оценки параметров сигнала, фильтрации сигнала или сообщений.

В подзадаче обнаружения требуется по заданному критерию оптимальности на основании наблюдения процесса ответить на вопрос, содержит ли наблюдаемый процесс вместе с помехой сигнал или является только помехой?

В подзадаче различения требуется по заданному критерию оптимальности ответить на вопрос, какой именно сигнал вместе с помехой присутствует в наблюдаемом процессе, поскольку этот процесс может вместе с помехой содержать один из двух взаимно исключающих сигналов.

В подзадаче оценки параметров требуется по заданному критерию оценить неизвестные параметры сигнала. Считается, что в наблюдаемом процессе вместе с помехой существует сигнал с одним или несколькими неизвестными параметрами (параметр является случайной, но постоянной величиной на интервале наблюдения).

К задаче оценки параметров тесно примыкает задача разрешения сигнала, когда считается, что вместе с помехой в наблюдаемом процессе могут существовать один или два сигнала, неизвестные параметры которых незначительно различаются между собой. Однако сколько этих сигналов – один или два – заранее неизвестно. Требуется, увеличивая различие между параметрами сигнала, определить то наименьшее различие, при котором наступает уверенное разрешение сигналов.

В подзадаче оптимальной фильтрации требуется в каждый момент времени дать оценку меняющемуся параметру по заданному критерию оптимальности. Считается, что в соответствии со случайным законом модуляции в наблюдаемом процессе существует вместе с помехой сигнал с изменяющимся во времени параметром, т. е. параметр является случайной функцией времени.

В процессе передачи сообщений в системах связи выполняются различные преобразования, основные из которых показаны на упрощенной структурной схеме дискретной системы связи (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Упрощенная структурная схема дискретной системы связи

Источник сигнала ИС включает в себя источник сообщений и преобразователь сообщения a (t ) в первичный сигнал b (t ). Первичный сигнал подвергается кодированию (экономному и/или помехоустойчивому) в кодере К , после чего сигнал b ц (t ), называемый цифровым, поступает в модулятор М (передатчик), вырабатывающий сигнал u (t ), приспособленный по своим характеристикам для передачи по линии связи ЛС. В линии связи происходит искажение сигнала и его взаимодействие с помехой ξ (t ) (в простейшем случае аддитивное), в результате чего на вход демодулятора ДМ (приемника) поступает наблюдаемое колебание z (t ). Демодулятор выполняет функцию, обратную модуляции, поэтому, в идеале, на его выходе должен быть выработан сигнал b ц (t ). Однако в реальности вследствие воздействия помех результат демодуляции отличается от сигнала b ц (t ), поэтому результат декодирования не совпадает с первичным сигналом b (t ).

Для облегчения восприятия в дальнейшем рассматривается идеализированный канал связи без памяти, в котором отсутствуют искажения сигнала, тогда наблюдаемое

, (17.1)

где s (t ) – посылка длительности τ, ξ (t ) – помеха.

Задача демодулятора состоит в том, чтобы по наблюдаемому колебанию z (t ) принять такое решение о переданном сигнале b ц (t ), которое обеспечило бы максимальную верность. Правило (алгоритм) принятия решения – это закон преобразования z (t ) в . Поскольку помеха является случайной, задача построения оптимального (наилучшего) демодулятора представляет собой статистическую задачу и решается на основе методов теории вероятности и математической статистики (теории статистических решений).

Материалом для принятия решения в демодуляторе служит в анализируемом случае реализация колебания z (t ) на интервале длительности T . Если бы помеха отсутствовала, то эта реализация совпадала бы с элементарным сигналом (посылкой), который можно считать точкой в гильбертовом пространстве сигналов, определенных на заданном временном интервале. Все возможные в данной системе связи посылки изображаются различными точками, и демодулятор должен вырабатывать свои решения в зависимости от того, какой именно точке соответствует принятая реализация z (t ).

Реализация помехи, взаимодействуя с посылкой, смещает точку, изображающую принятую реализацию, причем смещение случайно вследствие случайного характера помехи. Если смещения будут значительными, демодулятор может ошибаться. Ошибка является случайным событием, поэтому качество решения можно характеризовать вероятностью ошибки.

Задача синтеза оптимального приемника (демодулятора) ставится следующим образом: найти оптимальный алгоритм обработки и оптимальное правило, обеспечивающие максимальную вероятность безошибочного (правильного) решения.

Максимум этой вероятности академик РАН В. А. Котельников назвал потенциальной помехоустойчивостью, а приемник, реализующий этот максимум, – идеальным приемником .

Алгоритм работы приемника состоит в разбиении гильбертова пространства реализаций входного колебания на области так, что решение принимается в соответствии с тем, какой области принадлежит принятая реализация. Количество областей равно количеству различных кодовых символов данной системы связи. Ошибка возникает, если в результате воздействия помехи реализация попадает в «чужую» область. Оптимальный приемник разбивает пространство реализаций наилучшим образом, поэтому средняя вероятность ошибки минимальна при всех возможных разбиениях.

Каждая область соответствует предположению (гипотезе) о том, что передан был один из возможных сигналов.

Пример. Предположим, что результатом обработки в двоичной системе связи с амплитудной телеграфией является значение y , соответствующее окончанию интервала наблюдения. Если в колебании z (t ) присутствует только шум, имеющий гауссово распределение с нулевым математическим ожиданием, то плотность распределения величины y имеет вид:

, (17.2)

если кроме шума на вход приемника поступает сигнал, то результат обработки имеет ненулевое (для определенности – положительное) среднее значение a , и плотность распределения величины y имеет вид:

. (17.3)

Гипотезы, соответствующие выражениям (17.2) и (17.3), являются простыми. Если среднеквадратическое отклонение σ неизвестно, гипотезы являются сложными.

Рассмотрим систему связи, в которой используются K различных символов. Тогда демодулятор должен различать K различных гипотез. При этом возможны ошибки: может быть принято решение D j в пользу j -й гипотезы, в то время как справедливой является i -я гипотеза. Такая ситуация характеризуется условной вероятностью ошибки p ij = P {D j / H i }. Различные ошибки могут наносить разный вред, поэтому вводится численная характеристика П ij , называемая потерей, или риском.

Каждая (i -я) гипотеза характеризуется некоторой вероятностью p i осуществления, которая называется априорной вероятностью. Суммируя возможные ошибки, можно ввести усредненную характеристику (критерий) качества принятия решения, называемую средним риском: .

Средний риск представляет собой математическое ожидание потерь, связанных с принятием решения.

Если априорные вероятности гипотез точно известны, а потери назначены обоснованно, то приемник, обеспечивающий наименьший средний риск, будет наиболее выгодным. Критерий минимума среднего рисканазывают также критерием Байеса.

Иногда потери, связанные с различными ошибками, принимают равными друг другу, П ij =П ; П i i = 0; i = 1,… К , тогда оптимальный байесовский приемник обеспечивает минимальную среднюю вероятностьошибки (критерий идеального наблюдателя) и называется идеальным приемником Котельникова:

.

Если принять равными и априорные вероятности гипотез p i = 1/K ;
i = 1,…К , то критерий Байеса сводится к критерию минимума суммарнойусловной вероятности ошибки:

Известно , что помехоустойчивость и скрытность являются двумя важнейшими составляющими помехозащищенности СРС.

При этом в общем случае под помехоустойчивостью СРС с ППРЧ (впрочем, как и любых других СРС) понимается способность нормально функционировать, выполняя задачи по передаче и приему информации в условиях действия радиопомех. Следовательно, помехоустойчивость СРС – это способность противостоять вредному воздействию различного вида радиопомех, включая, в первую очередь, организованные помехи.

Стратегия борьбы с организованными помехами СРС с ППРЧ заключается, как правило, в «уходе» сигналов СРС от воздействия помех, а не в «противоборстве» с ними, как это реализуется в СРС с ФМ1ИПС. Поэтому в СРС с ППРЧ при защите от помех важной характеристикой является фактическое время работы на одной частоте. Чем меньше это время, тем выше вероятность того, что сигналы СРС с ППРЧ не будут подвержены воздействию организованных помех.

Помехоустойчивость СРС с ППРЧ зависит не только от времени работы на одной частоте, но и от других важных параметров станции помех (СП) и СРС, например, от вида помехи и ее мощности, мощности полезного сигнала, структуры приемного устройства и заложенных в СРС способов помехоустойчивости.

Эффективное воздействие помех на СРС с ППРЧ может быть достигнуто лишь при условии знания постановщиком помех соответствующих параметров сигналов СРС, например, центральных частот каналов, скорости скачков частоты, ширины информационной полосы частот, мощности сигнала и помехи в точке нахождения приемного устройства СРС. Указанные параметры СРС постановщик помех добывает, как правило, непосредственно с помощью станции радиотехнической разведки (РТР), а также путем пересчета измеренных параметров СРС в другие, функционально связанные с ними, характеристики СРС. Например, измерив длительность скачка частоты, можно рассчитать ширину полосы частотного канала приемника СРС.

В общем случае РТР путем приема и анализа перехваченных сигналов не только СРС, но и других радиоэлектронных средств (РЭС) обеспечивает сбор информации о противной стороне в целом. Сигналы СРС и РЭС содержат много технических характеристик, являющихся разведывательными сведениями. Эти характеристики определяют «электронный почерк» СРС и РЭС и позволяют установить их возможности, назначение и принадлежность.

Обобщенный алгоритм сбора данных радиотехнической разведкой о параметрах сигналов и характеристиках СРС изображен на рис.1.18.

Для оценки помехоустойчивости СРС в условиях воздействия различных видов помех необходимо иметь соответствующие показатели. При выбранных моделях сигнала, собственного шума приемного устройства и аддитивных помех в системах передачи дискретных сообщений предпочтительным показателем количественной меры помехоустойчивости является средняя вероятность ошибки (СВО) на бит информации .

Другие показатели помехоустойчивости СРС, например, требуемое отношение сигнал-помеха, при котором обеспечивается заданное качество приема информации, вероятность ошибки в кодовом слове и другие, могут быть выражены через СВО на бит. Минимизация СВО на бит при условии равновероятной передачи символов может быть достигнута за счет использования алгоритма, реализующего правило максимального правдоподобия

При всех ,

которое для двоичных СРС имеет вид:

где - отношение правдоподобия для -го сигнала.

При дальнейшем изложении наибольшее внимание будет сосредоточено на разработке и анализе алгоритмов расчета СВО на бит информации. Анализ СВО на бит будет проводиться в условиях действия гауссовских шумов приемного устройства СРС и аддитивных организованных помех, в основном, применительно к каноническим (типовым) системам с ЧМ, которые являются базовой основой более сложных СРС.