Методы и процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов для адаптивных к помехам систем передачи информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Лисничук Александр Александрович
Лисничук Александр Александрович
доктор наук
2022
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 362
Оглавление диссертации доктор наук Лисничук Александр Александрович
ВВЕДЕНИЕ
1 МЕТОД И ПРОЦЕДУРА МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА МНОГОПОЗИЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ КАНАЛЬНОГО АЛФАВИТА ДЛЯ АДАПТАЦИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ДЕЙСТВИЮ УЗКОПОЛОСНОЙ ПОМЕХИ
1.1 Вводные замечания
1.2 Математическое описание существующих радиосигналов систем передачи информации в виде совокупности элементов канального алфавита
1.3 Обоснование критериев качества радиосигналов при процедуре
многокритериального синтеза канального алфавита в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам
1.4 Процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов на основе определения канального алфавита
1.4.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза канального алфавита
1.4.2 Особенности процедуры многокритериального синтеза канального алфавита для многопозиционных видов модуляции
1.5 Многокритериальный синтез четырехпозиционных радиосигналов
1.5.1 Анализ показателей качества синтезированных четырехпозиционных радиосигналов в зависимости от количества отсчетов на символ и значений весовых коэффициентов
1.5.2 Анализ показателей качества синтезированных радиосигналов в зависимости от параметров действующей узкополосной помехи
1.5.3 Сравнительный анализ помехоустойчивости известных (после режекции узкополосной помехи) и синтезированных радиосигналов
1.6 Многокритериальный синтез 16-позиционных радиосигналов
1.6.1 Многокритериальный синтез 16-позиционных радиосигналов для
случая отсутствия воздействия узкополосных помех
1.6.2Многокритериальный синтез 16-позиционных радиосигналов для случая фиксированного весового коэффициента с2, определяющего
помехоустойчивость к действию АБГШ
1.7 Практические аспекты реализации разработанной процедуры
многокритериального синтеза радиосигналов
1.7.1 Сокращение вычислительных затрат за счет определения функциональной зависимости между синтезированными радиосигналами и внешними параметрами задачи оптимизации
1.7.2 Оценка требуемых вычислительных затрат для разработанной процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов
1.7.3 Обоснование структурной схемы адаптивных к узкополосным помехам программно-управляемого формирователя и детектора радиосигналов на основе канального алфавита
1.8 Выводы
МНОГОПОЗИЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ С ПРЯМЫМ РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА НА ОСНОВЕ АНСАМБЛЯ КОДОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ В ИНТЕРЕСАХ АДАПТАЦИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ДЕЙСТВИЮ УЗКОПОЛОСНЫХ И
2 ПРОЦЕДУРЫ
МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО
СИНТЕЗА
СТРУКТУРНЫХ ПОМЕХ
100
2.1 Вводные замечания
2.2 Процедура многокритериального синтеза многопозиционных
радиосигналов с прямым расширением спектра на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам
2.2.1 Обоснование критериев качества многопозиционных радиосигналов при процедуре многокритериального синтеза ансамбля расширяющих кодовых последовательностей
2.2.2 Обоснование двухэтапной процедуры многокритериального синтеза ансамбля кодовых последовательностей многопозиционных
радиосигналов
2.2.3Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных четырехпозиционных
радиосигналов
2.2.4 Анализ показателей качества синтезированных четырехпозиционных радиосигналов в зависимости от параметров действующей узкополосной помехи
2.3 Процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к действию структурных помех
2.3.1 Обоснование критериев качества многопозиционных радиосигналов при адаптации систем передачи информации к действию структурных помех
2.3.2 Обоснование выбора базиса вейвлет-пакетного разложения ансамбля кодовых последовательностей в интересах минимизации действия структурных помех
2.3.3 Анализ показателей качества синтезированных
четырехпозиционных радиосигналов в зависимости от параметров
2.4 Практические аспекты реализации разработанных процедур
многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на
3 МЕТОД И ПРОЦЕДУРЫ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА МНОГОПОЗИЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ С ПРЯМЫМ РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАБОРА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ И АНСАМБЛЯ КОДОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ДЛЯ АДАПТАЦИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ДЕЙСТВИЮ ПОЛОСОВЫХ И НЕСКОЛЬКИХ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ
3.1 Вводные замечания
3.2 Процедура многокритериального синтеза многопозиционных
радиосигналов с прямым расширением спектра в интересах адаптации систем передачи информации к действию сложной помеховой обстановки
3.2.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов для увеличения помехоустойчивости систем передачи информации в условиях сложной помеховой обстановки
3.2.2 Анализ реализуемых показателей качества при адаптации радиосистем передачи информации к сложной помеховой обстановке с помощью многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра
3.2.3 Анализ минимизации воздействия на узкополосные радиоканалы за счет многокритериального синтеза многопозиционных
действующей структурной помехи
124
основе ансамбля кодовых последовательностей
2.5 Выводы
126
128
радиосигналов с прямым расширением спектра при совместном использовании частотного диапазона
3.3 Процедуры многокритериального синтеза многопозиционных
радиосигналов с прямым расширением спектра в интересах адаптации систем передачи информации к действию полосовой помехи
3.3.1 Обоснование процедур многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра в интересах адаптации систем передачи информации к действию
полосовой помехи
3.3.2Анализ реализуемых показателей качества при адаптации радиосистем передачи информации к действию полосовых помех с помощью многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра
3.4 Практические аспекты реализации разработанных процедур
многокритериального синтеза радиосигналов на основе определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля кодовых последовательностей
3.5 Выводы
4 ПРОЦЕДУРЫ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ИНТЕРЕСАХ АДАПТАЦИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ДЕЙСТВИЮ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ ПОМЕХ
4.1 Вводные замечания
4.2 Процедура многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования в интересах
адаптации систем передачи информации к действию узкополосных помех
4.2.1 Особенности использования критериев качества радиосигналов
при процедуре многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам 180 4.2.2Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных сигнально-кодовых
конструкций на основе решетчатого кодирования
4.2.3 Анализ показателей качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования в зависимости от параметров действующей узкополосной помехи
4.3 Процедура многокритериального синтеза сигнально-кодовых
конструкций на основе «зависимых» сигналов в интересах адаптации
систем передачи информации к действию узкополосных помех
4.3.1 Особенности использования критериев качества радиосигналов при процедуре многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов в интересах адаптации
систем передачи информации к узкополосным помехам
4.3.2Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных сигнально-кодовых
конструкций на основе «зависимых» сигналов
4.3.3 Анализ показателей качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых» сигналов при изменении параметров действующей узкополосной помехи
4.4 Процедура многокритериального синтеза сигнально-кодовых
конструкций на основе битового перемежения для адаптации
радиосистем передачи информации к действию импульсной пакетной
сигналоподобной помехи
4.4.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе битового перемежения для
адаптации радиосистем передачи информации к действию
импульсной пакетной сигналоподобной помехи
4.4.2 Анализ показателей качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе битового перемежения при изменении параметров действующей помехи
4.5 Практические аспекты реализации разработанных процедур
многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций
4.6 Выводы
5 ПРОЦЕДУРЫ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА МНОГОПОЗИЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ В ИНТЕРЕСАХ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И СТРУКТУРНОЙ СКРЫТНОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
5.1 Вводные замечания
5.2 Процедура многокритериального синтеза многопозиционных сигналов с прямым расширением спектра для обеспечения энергетической скрытности при режекции узкополосных помех на стороне системы радиомониторинга
5.2.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра для обеспечения энергетической скрытности при режекции узкополосных
помех на стороне системы радиомониторинга
5.2.2Анализ реализуемых показателей качества энергетической скрытности синтезированных радиосигналов с прямым расширением спектра при режекции узкополосных помех на стороне системы радиомониторинга
5.3 Процедура многокритериального синтеза многопозиционных сигналов в интересах увеличения структурной скрытности
перспективных радиосистем передачи информации
5.3.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов для увеличения структурной скрытности перспективных радиосистем передачи информации
5.3.2 Анализ реализуемых показателей качества структурной скрытности синтезированных радиосигналов
5.4 Практические аспекты реализации разработанных процедур
многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов в интересах повышения скрытности систем передачи информации
5.5 Выводы
6 ПРОЦЕДУРЫ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА ОРБМ-РАДИОСИГНАЛОВ В ИНТЕРЕСАХ СНИЖЕНИЯ ПИК-ФАКТОРА И ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
6.1 Вводные замечания
6.2 Процедура многокритериального синтеза ОБОМ-радиосигналов в
интересах повышения структурной скрытности систем передачи
информации
6.2.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов для увеличения структурной скрытности перспективных ОЕОЫ-радиосистем передачи информации
6.2.2 Обоснование выбора алгоритма оптимизации для процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов в интересах увеличения структурной скрытности перспективных ОЕОЫ-радиосистем передачи информации
6.2.3 Анализ реализуемых показателей качества структурной скрытности синтезированных ОЕОЫ-радиосигналов
6.3 Процедура многокритериального синтеза ОБОМ-радиосигналов в
интересах снижения пик-фактора и повышения структурной скрытности систем передачи информации
6.3.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза OFDM-радиосигналов в интересах снижения пик-фактора и повышения
структурной скрытности систем передачи информации
6.3.2Анализ реализуемых показателей качества энергетической эффективности синтезированных OFDM-радиосигналов
6.4 Процедура двухкритериального синтеза OFDM-радиосигналов для повышения энергоэффективности и помехоустойчивости систем
передачи информации
6.4.1 Обоснование процедуры двухкритериального синтеза OFDM-радиосигналов для повышения энергоэффективности и
помехоустойчивости систем передачи информации
6.4.2Анализ реализуемых показателей качества при синтезе OFDM-радиосигналов для повышения энергоэффективности и помехоустойчивости систем передачи информации
6.5 Практические аспекты реализации разработанных процедур
многокритериального синтеза многопозиционных OFDM-
радиосигналов
6.6 Выводы
7 СРАВНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ПРОЦЕДУР МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА РАДИОСИГНАЛОВ И СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ИНТЕРЕСАХ АДАПТАЦИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ДЕЙСТВУЮЩИМ ПОМЕХАМ
7.1 Вводные замечания
7.2 Сравнительный анализ разработанных процедур
многокритериального синтеза радиосигналов и сигнально-кодовых
конструкций в интересах адаптации систем передачи информации к действующей помеховой обстановке
7.3 Сравнительный анализ синтезированных радиосигналов различных типов в интересах адаптации систем передачи информации к действующей помеховой обстановке
7.4 Сравнительный анализ синтезированных радиосигналов различной позиционности в интересах адаптации систем передачи информации к действующей помеховой обстановке
7.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. КОПИИ АКТОВ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Универсальное устройство помехоустойчивого кодирования, адаптивное к изменению условий функционирования радиосистемы передачи информации2013 год, кандидат наук Семин, Дмитрий Сергеевич
Сигнально-кодовые конструкции для низкоэнергетических широкополосных радиолиний декаметрового диапазона2019 год, кандидат наук Кандауров Николай Александрович
Процедуры формирования адаптивных к мешающим факторам радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для систем передачи информации2012 год, кандидат технических наук Покровский, Павел Сергеевич
Методы информационно-статистического анализа и алгебраического синтеза в конечном поле корректирующих кодов систем телекоммуникаций повышенной помехозащищённости с широкополосным доступом2014 год, кандидат наук Зеленевский, Юрий Владимирович
Разработка и исследование сигнально-кодовых конструкций на основе турбо-подобных кодов и дискретных частотных сигналов для систем коротковолновой связи2016 год, кандидат наук Головкин Илья Владимирович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов для адаптивных к помехам систем передачи информации»
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. На практике работа беспроводных систем передачи информации (СПИ) осуществляется в условиях действия различного вида радиопомех: узкополосных, структурных, полосовых, импульсных, а также их комбинаций. На важные показатели качества СПИ (в том числе на помехоустойчивость) существенное влияние оказывают вид используемых сигналов и характеристики устройств их обработки. Значительный вклад в развитие данной области знаний внесли отечественные и зарубежные ученые В.А. Котельников, И.С. Гоноровский, К. Шеннон, Л.С. Гуткин, Л.Е. Варакин, Д.Е. Вакман, Р.М. Седлецкий, С.Б. Макаров, Ч. Кук, М. Бернфельд, Л. Френкс, Г. Ван Трис, Ю.Г. Сосулин, В.И. Тихонов, Д.Д. Кловский и др. [1... 16].
Следует отметить, что спектральный состав помеховой обстановки меняется с течением времени как под воздействием разнообразных случайных факторов, так и в результате функционирования мешающих радиоканалов. Данное обстоятельство при фиксированном виде модуляции и устройстве обработки сигнала не позволяет достигнуть наилучших характеристик помехоустойчивости и структурной скрытности СПИ. При априорно неизвестной помеховой обстановке высокой эффективностью обладают адаптивные системы [17] - интеллектуальные системы передачи информации (ИСПИ).
Для повышения достоверности передаваемых данных применяют СПИ с каналом обратной радиосвязи [18]. В предельном случае для целей квитирования с помощью такой обратной связи может передаваться количество информации равное объему полезных данных (в прямом канале). Такие системы (с «полной обратной связью») зачастую выполняют ретрансляцию принятых сообщений. Однако этот подход требует применения специально отведенных для передачи служебной информации обратных каналов или же значительного снижения для них
скорости передачи данных. В современных СПИ применяется «укороченная обратная связь» (limited feedback) [19], позволяющая реализовать повышение показателей качества за счет адаптации СПИ без значительного снижения доступной пропускной способности дуплексного радиоканала.
Для реализации адаптации СПИ в работе [20] предлагается технология когнитивного радио (cognitive radio), использующая на вторичной основе участки спектра, не занятые в текущий момент службами, за которыми закреплены эти частоты. Существующие системы когнитивного радио [21... 24] способны перестраивать сигнал путем варьирования несущей частоты, излучаемой мощности, скорости передачи информации, а также процедур кодирования и модуляции, т.е. эти системы применяют класс известных радиосигналов. Последние могут быть распознаны с целью перехвата передаваемого сообщения или постановки эффективной структурной помехи [6]. Следовательно, данный подход не позволяет удовлетворить потребности современных СПИ в части многоэшелонированной помехозащищенности радиоканалов, т.е. обеспечения скрытности и помехоустойчивости радиолиний [25] на различных этапах формирования, передачи и детектирования сигналов. Кроме того, системы когнитивного радио могут посчитать диапазон частот непригодным для передачи информации при наличии помех, что в свою очередь в целом уменьшает эффективность использования свободных участков спектра.
В работах проф. С.Н. Кириллова [26, 27] предложено синтезировать двухпо-зиционные радиосигналы, принадлежащие к классу сигналов с нелинейной частотной модуляцией и обеспечивающие ослабление влияния узкополосной помехи (УП) на СПИ за счет формирования провала в спектре полезного сигнала на частотах действия помехи. Представляет интерес развитие данной теории для различных видов многопозиционных радиосигналов (с расширением спектра и без него) и сигнально-кодовых конструкций (на основе решетчатого кодирования, «зависимых» сигналов и битового перемежения) в адаптивных СПИ при действии
более широкого класса помех (нескольких УП, структурных, полосовых, импульсных и их комбинаций), а также с учетом быстродействия современной элементной базы. Следовательно, в условиях ограниченного частотного ресурса или для дальнейшего развития технологии когнитивного радио целесообразно производить синтез сигналов (с позиционностью М > 4) для адаптации ИСПИ к действию помех при использовании в том числе и неизвестных видов модуляции.
В ряде работ [8, 11, 28] синтез радиосигналов осуществляют за счет оптимизации по единственному показателю качества, что приводит к неконтролируемому ухудшению других характеристик [5, 27, 29.31]. Поэтому для более эффективного использования ресурсов радиоканала целесообразно применять многокритериальный синтез сигналов, являющийся в свою очередь задачей нелинейного программирования сравнительно высокой размерности, решение которой необходимо производить при динамичном изменении внешних условий, т.е. в режиме реального времени.
Как правило [10, 32, 33], при передаче цифровой информации по радиоканалу в процессе модуляции осуществляется отображение битового потока данных в набор сигналов, согласованных с характеристиками используемого канала. Причем совокупность таких детерминированных сигналов образует канальный алфавит (КА) данного вида модуляции, который определяет качественные характеристики СПИ (помехоустойчивость, энергоэффективность и др.). Следовательно, в интересах адаптации ИСПИ к действию различных помех возможно применение математического описания радиосигналов в виде совокупности элементов КА.
Как известно [6], класс радиосигналов с прямым расширением спектра обладает сравнительно высокой помехоустойчивостью. При использовании таких радиосигналов появляется дополнительная возможность управления характеристиками ИСПИ, в том числе и в интересах минимизации воздействия помех, за счет синтеза ансамбля кодовых последовательностей (КП) с определенными свойствами. В работах [27, 34] предлагалось синтезировать структуру сложных двух-
позиционных сигналов с помощью прямого расширения спектра. Однако представляет интерес развитие данной теории для синтеза структуры многопозиционных радиосигналов, которые на сегодняшний день получили широкое распространение на практике [35, 36]. При использовании известных видов модуляции в ИСПИ необходимо производить адаптацию не только к действию УП, но и -структурных (сигналоподобных) помех (СП). Это связано с тем, что СП оказывают негативное воздействие на СПИ за счет корреляции по некоторым параметрам с полезным радиосигналом при совпадающих частотно-временных диапазонах [7]. Следовательно, при использовании класса радиосигналов с прямым расширением спектра целесообразно производить многокритериальный синтез ансамбля КП в интересах адаптации ИСПИ как к УП, так и к СП.
В сложной помеховой обстановке (когда в полосе частот сигнала действует несколько источников радиопомех) необходимо применение максимального числа способов увеличения помехоустойчивости, т.е. целесообразно синтезировать как структуру (т.е. ансамбль кодовых последовательностей), так и форму огибающей (т.е. набор элементарных импульсов) для радиосигналов с прямым расширением спектра.
Помимо широко распространенных узкополосных помех, на практике на беспроводные СПИ действует большое количество полосовых помех (ПП) [37], то есть мешающих факторов с шириной спектра 10...40 % от ширины спектральной плотности мощности полезного сигнала. В этом случае также целесообразно производить многокритериальный синтез радиосигналов с прямым расширением спектра.
При согласованности используемых процедур кодирования и модуляции по некоторому критерию получают сигнально-кодовые конструкции (СКК), обеспечивающие дополнительное улучшение характеристик СПИ [38, 39]. На практике широко распространены СКК на основе решетчатого кодирования и «зависимых» сигналов длительностью Т3 (где Т - символьный интервал) [10], позволяющие
реализовать повышение помехоустойчивости СПИ к действию аддитивного «белого» гауссовского шума (АБГШ) без расширения занимаемой полосы частот и уменьшение внеполосного излучения соответственно. Однако применение перечисленных СКК в условиях действия помех, спектральный состав которых может изменяться с течением времени, не позволяет достигнуть потенциальных характеристик ИСПИ.
В случае воздействия различного рода импульсных помех представляется целесообразным использование систем, осуществляющих передачу данных с помощью СКК на основе битового перемежения (Bit-Interleaved Coded Modulation -BICM) [40, 41]. Однако в условиях мешающего воздействия от радиосистем с динамически изменяющимися параметрами модуляции, ведущих передачу в пакетном режиме, (т.е. при действии импульсных пакетных сигналоподобных помех), СКК с фиксированными сигналами также не реализуют потенциальных характеристик.
Необходимо отметить, что разработка нестандартных процедур кодирования, удовлетворяющих требованиям вышеперечисленных СКК, представляет собой нетривиальную задачу [42], так как многие из известных процедур кодирования данных классов разрабатывались на основе эмпирического подхода. Следовательно, адаптацию СКК к действующим помехам целесообразно осуществить за счет синтеза многопозиционных радиосигналов, удовлетворяющих требованиям к соответствующему классу СКК.
Особое внимание следует уделить дополнительному увеличению скрытности радиоканала, в том числе и на энергетическом уровне. Классическим способом улучшения энергетической скрытности радиосигналов является увеличение их базы [25]. Для сигналов с прямым расширением спектра это требование приводит к необходимости удлинения используемой КП, что, однако, при ограниченном быстродействии элементной базы требует снижения реализуемой скорости передачи информации. В интересах дополнительного повышения скрытности
применяют синтез радиосигналов с равномерной спектральной плотностью мощности (СПМ) [43, 44]. Однако функционирование радиолинии на основе сигналов с прямым расширением спектра, как правило, осуществляется в условиях действия мощных УП. В данных условиях, для эффективного обнаружения неизвестных сигналов с прямым расширением спектра системами радиомониторинга часто применяются режекторные фильтры (для минимизации действия УП) в интересах увеличения отношения сигнал-помеха и стабилизации вероятности ложной тревоги. Учитывая эти априорные сведения, для дезинформирования постановщика помех целесообразно синтезировать сигналы с прямым расширением спектра, у которых формируется «выброс» в СПМ, по своим характеристикам соответствующий узкополосным сигналам. Это приведет к маскированию части радиосигнала с расширением спектра под узкополосный сигнал. Тогда системы радиомониторинга сигналов с прямым расширением спектра могут посчитать синтезированный «выброс» СПМ отдельным узкополосным сигналом, который мешает обнаружению и, следовательно, подвергнуть данный участок спектра режекции. Это приведет к уменьшению вероятности обнаружения оставшейся части синтезированного сигнала.
Дополнительное уменьшение отличительных признаков (увеличение структурной скрытности) радиоканала является отдельной важной задачей, так как это, в свою очередь, затруднит распознавание типа радиосигнала и приведет к невозможности несанкционированного перехвата передаваемой информации или постановки эффективной (сигналоподобной) помехи. Для достижения увеличения структурной скрытности целесообразно потребовать максимизацию расстояний в пространстве сигналов между классом синтезируемых радиосигналов 8 и точками 8^, соответствующими известным видам модуляции [45, 46]. Следовательно,
представляет интерес разработка процедуры многокритериального синтеза класса структурно-защищенных многопозиционных радиосигналов в интересах адаптации СПИ к действию мешающих факторов.
При использовании радиосигналов с OFDM появляется дополнительный способ задания их характеристик за счет соответствующей настройки параметров на поднесущих [47]. Известно [48], что радиосигналы с OFDM обладают высоким значением пик-фактора, т.е. не обеспечивают требований энергетической эффективности к СПИ. Особое внимание следует уделить и уменьшению отличительных признаков (увеличению структурной скрытности) OFDM-радиоканала. Для этого целесообразно применение различных видов модуляций на поднесущих, включающих и нестандартные типы сигналов. С помощью соответствующего синтеза сигнальных созвездий и определения порядка их расстановки по подне-сущим можно реализовать снижение величины пик-фактора OFDM-сигналов. Тогда представляет интерес разработка процедуры многокритериального синтеза OFDM-радиосигналов в интересах снижения пик-фактора и дополнительного повышения структурной скрытности ИСПИ.
Объект исследования: Радиосистемы передачи информации, обладающие устойчивостью к действию помех с изменяющимися параметрами.
Предмет исследования: Адаптация радиосистем передачи информации на основе многокритериального синтеза радиосигналов.
Цель и задачи работы. Целью работы является оперативная адаптация СПИ к действующей помеховой обстановке на основе многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов и СКК.
Поставленная цель включает решение следующих задач:
- обосновать модель радиосигналов в виде элементов КА для математического описания как известных, так и нестандартных видов модуляции в интересах адаптации ИСПИ к действию помех; обосновать набор критериев качества радиосигналов, учитывающих наиболее значимые характеристики СПИ;
- разработать метод и процедуру многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов на основе элементов КА и проанализировать их эффек-
тивность;
- разработать процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра на основе определения ансамбля КП в интересах адаптации ИСПИ к действию УП и СП, а также проанализировать их эффективность;
- разработать метод и процедуры многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра на основе определения набора элементарных импульсов и ансамбля КП для адаптации ИСПИ к действию полосовых помех или нескольких УП и проанализировать их эффективность;
- разработать процедуры многокритериального синтеза СКК на основе решетчатого кодирования, «зависимых» сигналов и битового перемежения в интересах адаптации ИСПИ к действию УП и импульсных сигналоподобных помех, а также произвести анализ их эффективности;
- разработать процедуры многокритериального синтеза сигналов (с прямым расширением спектра и без него) для увеличения помехоустойчивости и скрытности радиосистем передачи информации, а также произвести анализ их эффективности;
- разработать процедуру многокритериального синтеза ОБЭМ-радиосигналов в интересах снижения пик-фактора и повышения структурной скрытности ИСПИ, а также проанализировать ее эффективность;
- оценить требуемые вычислительные затраты для реализации разработанных процедур многокритериального синтеза радиосигналов на современной элементной базе;
- провести сравнительный анализ разработанных процедур многокритериального синтеза радиосигналов и сигнально-кодовых конструкций.
Данный комплекс актуальных задач характеризуется как теоретическое
обобщение и решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное хозяйственное значение и направленной на повышение устойчивости беспроводных СПИ к действию различных помех.
Научная новизна диссертации заключается в разработке и обосновании методов и процедур многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов и СКК различных классов с целью реализации потенциальных характеристик ИСПИ, используемых для организации каналов передачи данных в условиях разнообразной сигнально-помеховой обстановки. С помощью разработанных методов и процедур многокритериального синтеза были получены следующие ранее неизвестные научные результаты.
1) Разработаны метод и процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов на основе определения канального алфавита для адаптации ИСПИ к действию УП, позволяющие обеспечить повышение помехоустойчивости (по отношению сигнал-помеха).
2) Разработана двухэтапная процедура синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра (на основе определения ансамбля КП) для адаптации ИСПИ к действующим УП, обеспечивающая улучшение помехоустойчивости (по отношению сигнал-помеха) по сравнению с известными сигналами с прямым расширением спектра.
3) Разработана двухэтапная процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра (на основе определения ансамбля КП), обеспечивающая за счет использования аппарата вейвлет-пакетного разложения эффективную адаптацию ИСПИ к действующим структурным помехам. Показано, что радиосигналы с синтезированным ансамблем КП при воздействии АБГШ и структурной помехи обеспечивают выигрыш в помехоустойчивости (по отношению сигнал-помеха) по сравнению с известными сигналами с расширением спектра.
4) Разработаны метод и процедура многокритериального синтеза сигна-
лов с прямым расширением спектра для адаптации радиосистем передачи информации к сложной помеховой обстановке (в виде нескольких независимых источников УП), позволяющие обеспечить повышение помехоустойчивости (по отношению сигнал-помеха).
5) Разработаны процедуры многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра (на основе определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля кодовых последовательностей) для адаптации радиосистем передачи информации к действию полосовых помех, обеспечивающие выигрыш в помехоустойчивости (по отношению сигнал-помеха) в сравнении с известными сигналами с прямым расширением спектра.
6) Разработана процедура синтеза СКК на основе решетчатого кодирования для адаптации ИСПИ к действию УП, использующая комбинированный критерий качества, в состав которого входят частные критерии, отвечающие за пропускную способность и ослабление действия УП, внеполосное излучение, помехоустойчивость при АБГШ для случая решетчатого кодирования, а также энергоэффективность формируемой СКК. Данная процедура синтеза СКК при действии на радиоканал УП и АБГШ обеспечивает помехоустойчивость на уровне известных СКК при действии только АБГШ.
7) Разработана процедура синтеза СКК на основе «зависимых» сигналов для адаптации ИСПИ к действию УП. Данная процедура синтеза СКК в случае воздействия на радиоканал УП обеспечивает помехоустойчивость на уровне QPSK-сигнала при действии только АБГШ. При сравнимых значениях пик-фактора и помехоустойчивости синтезированные СКК на основе «зависимых» сигналов позволяют дополнительно сократить ширину СПМ в сравнении с синтезированными радиосигналами на основе канального алфавита.
8) Разработана процедура многокритериального синтеза класса структурно-защищенных радиосигналов ИСПИ. В состав комбинированного критерия качества входят частные критерии, отвечающие за ослабление действия помех; за
повышение помехоустойчивости при АБГШ, а также обеспечивающие минимизацию внеполосного излучения и отличительных признаков синтезируемого радиосигнала.
9) Разработана двухэтапная процедура многокритериального синтеза OFDM-радиосигналов для снижения пик-фактора ИСПИ, обеспечивающая выигрыш по показателю энергоэффективности по сравнению со случаем использования известной техники снижения пик-фактора OFDM-сигналов на основе «частичной передачи последовательности» (Partial transmit sequence - PTS).
10) Разработана процедура быстрого многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов за счет определения функциональной зависимости между отсчетами канального алфавита и параметрами помех, реализующая существенное сокращение вычислительных затрат и обеспечивающая адаптацию ИС-ПИ в режиме реального времени.
Научная и практическая значимость работы. Представленные в работе процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов и СКК для оперативной адаптации ИСПИ к сигнально-помеховой обстановке обеспечивают увеличение помехоустойчивости СПИ (по отношению сигнал-помеха). Используемый в процедурах многокритериальный метод позволяет более эффективно распределить предоставленные ресурсы радиоканала в условиях динамичного изменения помеховой обстановки. Кроме того, разработанные процедуры позволяют реализовать дальнейшее развитие технологии когнитивного радио в части обеспечения устойчивой работы в сложной сигнально-помеховой обстановке без обязательной смены частотного диапазона. Классы радиосигналов и сиг-нально-кодовых конструкций, полученные при помощи разработанных процедур многокритериального синтеза, обеспечивают эффективное функционирование ИСПИ при действии различных типов помех: структурных, полосовых, узкополосных (как одиночных, так и нескольких), а также их комбинаций.
Результаты диссертационной работы получили эффективное внедрение в
разработках акционерного общества «Российские космические системы» (АО «РКС»), ОКБ «Спектр» (филиал АО «РКЦ «Прогресс»), АО «Моринформсистема-Агат-КИП» (АО «Моринсис-Агат-КИП»), публичного акционерного общества «Мобильные ТелеСистемы» (ПАО «МТС» филиал в г. Рязань), АО «МНИИ «Агат» (г. Жуковский, Московской области), а также в учебном процессе ФГБОУ ВО «РГРТУ», что подтверждено соответствующими актами.
Методология и методы исследования. В работе использовались методы спектрального анализа, ортогональных разложений, вейвлет-функций и статистической радиотехники, а также вариационного исчисления и вычислительной математики. Данные теоретические методы сочетались с исследованиями при помощи имитационного моделирования разработанных процедур и СПИ на их основе.
Положения, выносимые на защиту:
1) Метод и процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов на основе определения канального алфавита, которые используют для адаптации систем передачи информации (СПИ) и позволяют при действии на радиоканал «белого» гауссовского шума (БГШ) и узкополосной помехи вплоть до отношения сигнал-помеха - 9 дБ обеспечить помехоустойчивость на уровне известных сигналов при действии только БГШ.
2) Процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра на основе определения ансамбля кодовых последовательностей, которая обеспечивает, с помощью аппарата вейвлет-пакетного разложения, адаптацию СПИ к действию структурных помех и при этом увеличивает помехоустойчивость СПИ на 5 дБ (по отношению сигнал-помеха) по сравнению с известным QPSK-сигналом с расширением спектра.
3) Метод и процедура многокритериального синтеза многопозиционных сигналов с прямым расширением спектра, которые используют для адаптации СПИ к сложной помеховой обстановке (в виде трех независимых узкополосных
помех) и обеспечивают помехоустойчивость (при сохранении вероятности битовой ошибки на уровне известных сигналов с расширением спектра при действии только БГШ) до отношения сигнал-помеха -4 дБ.
4) Процедуры многокритериального синтеза многопозиционных сигналов с прямым расширением спектра на основе определения набора элементарных импульсов и ансамбля кодовых последовательностей, которые используют для адаптации СПИ к действию полосовой помехи (ширина спектра - 10...40 % от ширины СПМ полезного сигнала) и БГШ, обеспечивая при этом вплоть до отношения сигнал-помеха - 7 дБ помехоустойчивость на уровне известных сигналов с расширением спектра при действии только БГШ.
5) Процедура многокритериального синтеза, которая позволяет получить сигнально-кодовые конструкции на основе «зависимых» сигналов (реализующих гладкие переходы между символами в комплексной огибающей) и обеспечить при воздействии на радиоканал узкополосной помехи и БГШ вплоть до отношения сигнал-помеха -3 дБ помехоустойчивость на уровне QPSK-сигнала при действии только БГШ, кроме того позволяет сократить внеполосное излучение по уровню - 30 дБ на величину до 35 % (в сравнении с синтезированными радиосигналами на основе канального алфавита).
Достоверность. Достоверность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, обосновывается корректностью численных экспериментов и адекватностью качественного и количественного сопоставления с известными положениями теории сигналов.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
1) 7th, 8th, 9th, 10th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). 2018, 2019, 2020, 2021. Budva, Montenegro.
2) 2020 1st International Conference Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE). Novosibirsk, Russia.
3) 2020 International Scientific and Technical Conference Modern Computer Network Technologies (MoNeTeC). Moscow, Russia.
4) Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), 2018, 2020. Moscow, Russia.
5) IV Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем - РАДИОИНФОКОМ-2019», Москва, 2019.
6) 2019 4th International Scientific Conference «Arctic: history and modernity». 2019. St. Petersburg, Russia.
7) 2019 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), 2019. Tomsk, Russia.
8) 2018 14th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE). 2018. Novosibirsk, Russia.
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Разработка способов формирования и приёма M-ичных стохастических многочастотных сигналов2013 год, кандидат технических наук Каменецкий, Борис Семёнович
Методы повышения помехоустойчивости приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией на фоне нефлуктуационных помех2022 год, кандидат наук До Чунг Тиен
Повышение быстродействия и помехоустойчивости цифровых устройств обнаружения и демодуляции высокочастотных узкополосных радиосигналов2018 год, кандидат наук Глушков, Алексей Николаевич
Анализ и синтез адаптивных устройств помехозащиты в радиолиниях с широкополосными шумоподобными сигналами, входящих в состав радиолокационных комплексов2011 год, кандидат технических наук Харитонов, Андрей Сергеевич
Помехоустойчивость приема дискретных сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией при наличии нефлуктуционных помех2021 год, кандидат наук Нгуен Ван Зунг
Список литературы диссертационного исследования доктор наук Лисничук Александр Александрович, 2022 год
/ / / /
/ / / г /
Синтезир. сигнал - — -ОРЭК с прямым расширением спектра -
/ у / / //
3 5 7 9 11 Д/^,%
Рисунок 2.4 — Зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных четырехпозиционных радиосигналов от относительной
ширины спектра УП
Из анализа рисунка 2.4 следует, что при фиксированном отношении сигнал-помеха порог помехоустойчивости (g) слабо изменяется при вариации Д[и в
пределах 6..13 %. При Д^ ж < 6% наблюдается постепенное снижение порога
помехоустойчивости до значений, сравнимых с показателями QPSK-сигнала при воздействии только АБГШ, что связано с высокой помехоустойчивостью к УП радиосигналов с расширением спектра [6]. Максимальный выигрыш в помехоустойчивости при рассмотренных параметрах УП для синтезированного четырех-позиционного радиосигнала составляет порядка 1 дБ по сравнению с QPSK-сигналом c расширением спектра ансамблем дополненных M-последовательностей, при этом показатели качества < Я(Ък) > и < У(Ък ,Ь1) > сла-
бо зависят от
N КП ■
На рисунке 2.5 приведены зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных четырехпозиционных радиосигналов от отношения сигнал-помеха (д ) при ДfN КП = 6%.
Рисунок 2.5 — Зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных четырехпозиционных радиосигналов с расширением спектра
от отношения сигнал-помеха
Из анализа рисунка 2.5 следует, что синтезированные четырехпозиционные радиосигналы при = 0 /Г5 и = 0,25 /Г5 обеспечивали порог помехоустойчивости g < 21 дБ вплоть до значений д=-7,8 и -12,2 дБ соответственно; для рассмотренных известных радиосигналов такое же значение показателя g достигалось при отношении сигнал-помеха соответственно больше -5,6 и -7,1 дБ.
Таким образом, предлагаемая процедура синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП при наиболее сложных, из рассмотренных, условиях для адаптации (= 0 /Т8, ДfN КП = 6%) обеспечивала порог помехоустойчивости g < 8 дБ при отношении сигнал-помеха д > 0 дБ, а для УП с центральной нормированной частотой = 0,25 - при д>-4 дБ, что соответственно на 2 и 4 дБ лучше данных показателей для рассмотренных извест-
ных радиосигналов (QPSK c расширением спектра ансамблем дополненных M-последовательностей). У синтезированного четырехпозиционного радиосигнала показатель качества перепутывания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации улучшен более чем в 5 раз, а уровень боковых лепестков АКФ по критерию (2.5) при = 0 /Т5 возрос на 4 %, а при
/м = 0,25 обеспечивался выигрыш на 10 % по сравнению с сигналом с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей.
2.3 Процедура многокритериального синтеза
многопозиционных радиосигналов на основе ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации систем передачи информации к действию структурных помех
2.3.1 Обоснование критериев качества многопозиционных радиосигналов при адаптации систем передачи информации к действию структурных помех
Как известно [7], среди факторов, мешающих работе СПИ, особое место занимают структурные (сигналоподобные) помехи (СП), оказывающие негативное воздействие за счет корреляции по некоторым параметрам с полезным радиосигналом при совпадающих частотно-временных диапазонах. Следовательно, целесообразно разработать процедуру многокритериального синтеза ансамбля КП в интересах адаптации ИСПИ к действию СП.
В этом случае, для рационального использования ресурсов радиоканала необходимо применять целевую функцию (2.7) с заменой слагаемого (2.2) на кри-
терий минимума воздействия СП [120]. В данном критерии, по аналогии с синтезом радиолокационных сигналов в [121], целесообразно использовать аппарат вейвлет-пакетного разложения (ВПР), а именно максимизировать энергию в тех ветвях ВПР синтезируемого ансамбля КП, в которых энергия действующей СП минимальна [122]:
min j£ d 2 (Wopt (z), Жш (z, B)) j, (2.8)
где Wopt (z), Wim (z, B) - нормированные энергии в z-й ветви ВПР соответственно
для «эталона» и синтезированного ансамбля КП; L - общее количество ветвей ВПР.
При этом «эталон» Wopt определяется по измеренному ВПР структурной помехи WN в соответствии со следующим выражением:
Wopt(z) = Л2 - WN (z), 12 = const, Я2 = max[WN(z)], z = 1L. (2.9)
Целесообразность применения ВПР вместо Фурье-анализа обусловлена большей адекватностью представления локальных особенностей синтезируемых многопозиционных радиосигналов [123].
Таким образом, в процедуре синтеза ансамбля КП в интересах адаптации ИСПИ к действию СП целесообразно применение комбинированного [29, 124] критерия качества:
kp(B) = cxMx£[d2(Wopt(z),Wm(z,B))] + c2M2 / (< d2(bk,b7) >) +
z=1
+c3M3 < V(bk,bl) > +c4M4 < R(bk) >, (2.10)
4 _
£ci = 1; Mi,ci > 0; Mi,ci = const; bk,bl eB; k,l = 1,M, k Ф l;
i=1
где ci - коэффициенты, определяющие вес каждого входящего показателя качества; Mt - нормирующие коэффициенты, приводящие отдельные слагаемые к
общему динамическому диапазону; М - позиционность вида модуляции.
Принимая во внимание схожесть целевых функций (2.10) и (2.7) (отличие лишь в одном из четырех используемых критериев), а также робастность ГА к априорно неопределенным внешним условия [114] в качестве метода оптимизации для решения данной задачи можно использовать метод МГА+ПС (см. п. 2.2.2). При этом процедура синтеза ансамбля КП в интересах адаптации ИСПИ к действию СП включает в себя следующие этапы:
1) По измеренному ВПР структурной помехи WN определить «эталон» Жор1.
2) Сформировать целевую функцию согласно выражению (2.10) при учете соответствующих весовых коэффициентов с.
3) При помощи метода оптимизации МГА определить предполагаемую область решений.
4) Методом ПС вычислить точку приближения к экстремуму.
2.3.2 Обоснование выбора базиса вейвлет-пакетного разложения ансамбля кодовых последовательностей в интересах минимизации действия структурных помех
Для обоснования процедуры адаптации ИСПИ к действию СП целесообразно произвести сравнительный анализ синтеза четырехпозиционных радиосигналов при различных базисах ВПР в критерии (2.8). Представляет интерес анализ результатов синтеза радиосигналов в следующих широко распространенных на практике [125, 126] базисах вейвлетов с компактным носителем: ортогональных (Добеши (db), койфлет (coif), симлет (sym)) и биортогональных В-сплайновых (прямых (bior) и обратных (rbio)). Рассмотрение данных классов вейвлетов свя-
зано как с необходимостью применения быстрых алгоритмов расчета в задачах адаптации ИСПИ, так и с возможностью реконструкции синтезируемого сигнала в целом. Кроме того, наличие компактного носителя обеспечивает качественное выделение локальных особенностей сигнала.
Наибольшее распространение на практике получило семейство ортогональных вейвлетов с компактным носителем, предложенное И. Добеши [127], на основе которого при помощи некоторых модификаций построены семейства вейвлетов со специальными свойствами. Так койфлеты обеспечивают более адекватную аппроксимацию сложных сигналов за счет равенства нулю моментов скейлинг-функции, определяющей грубое приближение при ВПР. В интересах уменьшения ошибок аппроксимации от вейвлетов также требуются свойства симметрии [126], однако в [127] показано, что не существует базиса симметричных ортогональных вейвлетов с компактным носителем, за исключением вейвлета Хаара (Добеши 1-го порядка). Наименьшими свойствами асимметрии среди вейвлетов, полученных из семейства Добеши, обладают симлеты. Стоит отметить, что вейвлеты Добеши и симлеты до 4-го порядка совпадают [126].
При этом свойства симметрии при компактном носителе реализуются при помощи биортогональных В-сплайновых вейвлетов [128], позволяющих отдельно задавать свойства для разложения и восстановления сигналов. Обратные вейвлеты данного типа порождаются из прямых путем взаимной замены выражений для декомпозиции и реконструкции.
Для обоснования выбора базиса ВПР ансамбля КП в интересах минимизации действия СП проведено имитационное моделирование синтеза четырехпози-ционных радиосигналов по критерию (2.8), результаты которого приведены на рисунке 2.6. Здесь время синтеза (tcp) - средняя продолжительность оптимизации
с помощью имитационной модели в среде MATLAB на компьютере с процессором Intel Core i5.
а
1 5 10 15 20 25 30 35 40 № базиса
а
—1 г-1
ПП 1-1 1-1 1-1 1—1 ппПп ППпП 1П пГ Ппп гтппПГ Р
1 5 10 15 20 25 30 35 40 № базиса
б
Рисунок 2.6 — Зависимости порога помехоустойчивости и среднего времени оптимизации синтезированных и известных четырехпозиционных радиосигналов с расширением спектра от номера
базиса при ВПР
На данном рисунке № базиса - порядковый номер из следующего множества подпространств: 1 ^ВД, 2 ^й&(2), 3 ^сЬ(3), 4 ^йЬ(4), 5 ^сЬ(5), 6 ^й&(25), 7^ш/Щ), 89^ео1/(3), 10^ео1/(4), 11 ^еог/(5), 12 13 ^$>т(5), 14 ^уут(б), 15 ^¿>т(7), 16 ^ ¿ут(8), 17 ^Ьшг(1;1), 18^Ь/ог(1;3), 19^Ь/ог(1;5), 20^&ог(2;2), 21 ^Ьог(2;4), 22^Ь/ог(2;6), 23 ^Ь/ог(2;8), 24 ^Ь/ог(3;1), 25 ^Ыог(3;3), 26 ^Ыог(3;5), 27 ^Ыог(3;7), 28 ^дюг(3; 9), 29 ^Ьог(4;4), 30 ^Ыог(5;5), 31 ^Ыог(6;8), 32 ^г&о(1;1),
33^rbzo(1;3), 34^rbzo(1;5), 35^rbio(2;2), 36^rbio(2;4), 37^rbio(2;6), 38^rbio(2;8), 39^rbzo(3;1), 40^rbzo(3;3), 41 ^rbzo(3;5), 42^rbio(3;7), 43 ^rbio(3;9), 44 ^rbzo(4;4), 45 ^rbzo(5;5), 46 ^rbio(6; 8) (в скобках указан порядок вейвлета, для биортогональных вейвлетов - порядок выражения (vanishing moments) для реконструкции и декомпозиции).
На вход детектора поступает смесь полезного сигнала, АБГШ и СП в виде QPSK-сигнала с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей; отношение сигнал-помеха равнялось -10 дБ, частотные диапазоны совпадали; для получения устойчивых оценок для каждого значения величины порога помехоустойчивости (g) накапливается статистика, соответствующая не менее 100 битовым ошибкам; кроме того, для всех параметров статистика накапливается по 100 реализациям ансамблей КП для четырехпозицион-ных сигналов. Значения весовых коэффициентов составляли c1 = 0,5, c2 = 0,1,
c3 = 0,1, c4 = 0,3, что определяет компромисс между критериями качества, аналогичный результатам п. 2.2.3; длина КП - 32 элемента, при этом аналогичные результаты были получены при длинах КП 64 и 96. Синтезировались четыре КП, расширяющие синфазные и квадратурные компоненты двух элементов КА; в полный КА входили также сигналы, противоположные синтезированным; размерность задачи синтеза составляет 4 • 32 = 128; в качестве начальных условий использовался ансамбль дополненных М-последовательностей.
Кроме того, для сравнительного анализа качества подавления СП на рисунке 2.6 а приведен также порог помехоустойчивости QPSK-сигнала с прямым расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей, порождающие полиномы которых отличны от используемых при формировании действующей СП.
Из анализа рисунка 2.6 а следует, что в качестве критерия (2.8) возможно применение следующих базисов ВПР: db(1), bior(1; 1), rbio(1; 1), обеспечивающих
лучшее подавление СП по сравнению с рРБК-сигналом с прямым расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей, порождающие полиномы которых отличны от используемых при формировании действующей СП. Принимая во внимание требование минимизации времени синтеза ансамбля КП при адаптации ИСПИ к действию СП целесообразно использование вейвлет-базиса Хаара (о&(1)) , обеспечивающего выигрыш в быстродействии более чем на 10 % (см. рисунок 2.6 б) по сравнению с синтезом в базисах Ьог(1;1), гЬо(1;1), однако при этом незначительно (до 0,4 дБ) уступающего им по порогу помехоустойчивости. Следует отметить, что за счет оптимизации вычислений, на современной элементной базе (например, в цифровых сигнальных процессорах или ПЛИС) временные затраты синтеза ансамбля КП существенно сократятся по сравнению с реализацией в виде имитационной модели.
2.3.3 Анализ показателей качества синтезированных
четырехпозиционных радиосигналов в зависимости от параметров действующей структурной помехи
Для исследования работоспособности предлагаемой процедуры адаптации ИСПИ к действию СП, совпадающих с полезным сигналом по частотно-временным диапазонам, целесообразно произвести количественную оценку показателей качества синтезированных радиосигналов при вариации отношения сигнал-помеха. Кроме того, представляют интерес результаты сравнительного анализа четырехпозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра ансамблями синтезированных КП и дополненных М-последовательностей.
На рисунке 2.7 приведены зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных четырехпозиционных радиосигналов от отношения сигнал-помеха (д).
ДБ
16
12
8 6
-20 -15 -10 -5 0 <7, ДБ
Рисунок 2.7 — Зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных четырехпозиционных радиосигналов с расширением спектра от
отношения сигнал-помеха
Результаты получены с помощью имитационного моделирования процедуры адаптации ИСПИ на основе определения ансамбля КП; длина КП - 32 элемента (при этом аналогичные результаты были получены при длинах КП 64 и 96), размерность задачи синтеза - 128; в качестве начальных условий использовался ансамбль дополненных М-последовательностей. Здесь значения весовых коэффициентов составляли с1 = 0,5, с2 = 0,1, с3 = 0,1, с4 = 0,3 ; на вход детектора поступала смесь полезного сигнала, АБГШ и СП в виде рРБК-сигнала с расширением спектра ансамблем случайных КП; частотно-временные диапазоны для СП и полезного сигнала совпадали; для получения устойчивых оценок для каждого значения величины порога помехоустойчивости (g) накапливается статистика, соответствующая не менее 100 битовым ошибкам; кроме того, статистика накапливается по 100 реализациям СП.
Из анализа рисунка 2.7 следует, что четырехпозиционные радиосигналы с синтезированным ансамблем КП при воздействии АБГШ и СП обеспечивали по-
1 1 —1— I
> ч ОРЭК-сигнал с расширением синтезированным ансамблем КП -
— - игсэгч-с стандар г*- и гнал с ра иным анса сширение мблем КП VI
\ \
\ \ \
ч ч
ч ч 1
рог помехоустойчивости g < 8 дБ при отношении сигнал-помеха q >—5 дБ, что на 5 дБ лучше данного показателя для рассмотренных известных радиосигналов ^РБК с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей). У синтезированных радиосигналов показатель качества перепутывания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации улучшен более чем в 2 раза, а уровень боковых лепестков АКФ по критерию (2.5) на 5 % меньше по сравнению с сигналом с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей.
2.4 Практические аспекты реализации разработанных процедур многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе ансамбля кодовых последовательностей
В интересах практической реализации разработанных процедур многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП целесообразно оценить верхнюю границу требуемого числа элементарных операций. Следует учитывать, что наиболее ресурсоемкой частью в задачах нелинейной оптимизации сравнительно высокой размерности при бинарном характере переменных является вычисление целевой функции, т.к. используемые методы оптимизации основаны на итеративном выполнении данной операции.
В таблице 2.3 приведена оценка количества необходимых элементарных операций для вычисления целевых функций (2.7) и (2.10); где 1КП - количество
элементов расширяющей КП на символ сигнала.
Таблица 2.3 — Количество элементарных операций для вычисления значений целевых функций
Оценка количества элементарных операций Оценка количества элементарных операций при /кп = 32
Вычисление целевой функции (2.7) 6 • /Кп + 259 • /Кп + +768 • /кп ■ 1о§2 (/КП) + 62 137 374
Вычисление целевой функции (2.10) 6 • /2 + 91 • / + и 'кп ^ у 1 'кп ^ +8 • ¡кп ■ 1о§2(/кп) + 84 10 420
В ходе предварительных исследований выявлено, что для эффективного многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП для адаптации ИСПИ к действию УП и СП требуется соответственно не более 4500 и 3700 вычислений целевых функций. Следовательно, необходимая производительность ЦСП для реализации разработанных процедур синтеза четырехпозиционных радиосигналов определяется следующим образом:
£ > 4500 ■ (6 • 12т + 259 • !кп + 768 • !кп • Щ2(1КП) + 62) Я, / пор1;
; 2 \ (2.11)
£ > 3700 • (6 • ¡кп + 91 • !кп + 8 • !кп • ^2(/ш) + 84) Я, / ^;
где £ и £ - необходимая производительность ЦСП для реализации многокритериального синтеза по целевым функциям (2.7) и (2.10) соответственно; , бит/с -скорость передачи информации; пор( - количество битовых интервалов, укладывающихся в промежуток времени, через который производится очередной акт оптимизации КП, и включающих преимущественно паузы в передаваемых сообщениях (т.к. современные ИСПИ работают в пакетном режиме).
Тогда необходимая производительность ЦСП £ составляет порядка 25,3 ООРБ при /кп = 32, ^ = 8 кбит/с, пор1 = 200 (оперативность адаптации к УП - менее 25 мс); а для адаптации ИСПИ к действию СП £2 — 21,1 ООРБ при
1КП = 32, Я8 = 8 кбит/с, пор( =15 (оперативность адаптации к СП составит менее 2
мс). Следовательно, процедуры многокритериального синтеза четырехпозицион-ных радиосигналов на основе определения ансамбля КП для адаптации ИСПИ к действию УП и СП могут быть реализованы на отечественном ЦСП 1892ВМ7Я, который обеспечивает производительность 25,6 ООРБ при 16-значных операндах [97].
Таким образом, на современной отечественной элементной базе (ЦСП 1892ВМ7Я) возможно реализовать разработанные процедуры многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП для адаптации ИСПИ как к действию УП (1КП = 32, Я5 = 8 кбит/с,
пор( = 200, оперативность адаптации к УП - менее 25 мс), так и к СП (1Ш = 32, Я5 = 8 кбит/с, пор1 = 15, оперативность адаптации к СП составит менее 2 мс).
Кроме того, приведенный в п. 1.7.1 способ сокращения вычислительных затрат (на основе использования функциональной зависимости между отсчетами синтезированного КА и внешними параметрами задачи оптимизации) возможно применить и к процедурам многокритериального синтеза ансамбля КП в интересах существенного улучшения скоростных характеристик.
2.5 Выводы
Таким образом, во второй главе работы обоснованы процедуры многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра на основе определения ансамбля КП в интересах адаптации ИСПИ к действующим помехам и показано, что:
- Многопозиционные радиосигналы с прямым расширением спектра можно представить в виде совокупности элементов КА.
- Обоснована двухэтапная процедура синтеза четырехпозиционных радиосигналов с расширением спектра для адаптации ИСПИ к действующим УП, использующая комбинированный критерий качества, в состав которого входят частные критерии, отвечающие за пропускную способность и минимизацию действия УП, помехоустойчивость при действии АБГШ, а также минимизацию перепуты-вания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации. Предлагаемая процедура синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП при наиболее сложных, из рассмотренных, условиях для адаптации (/ = 0 /Т5 , КП = 6%) обеспечивает порог помехоустойчивости g < 8 дБ при отношении сигнал-помеха q > 0 дБ, а для УП с центральной нормированной частотой / = 0,25 /Т5 - при q >—4 дБ, что соответственно обеспечивает выигрыш на 2 и 4 дБ для данных показателей у рассмотренных известных радиосигналов (QPSK с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей). У синтезированного четырехпозиционного радиосигнала показатель качества перепутывания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации улучшен более, чем в 5 раз, а уровень боковых лепестков АКФ по критерию (2.5) при действии УП с центральной частотой / = 0 /Т8 возрастал на 4 %, при - /х = 0,25 /Т5 обеспечивал выигрыш на 10 % по сравнению с сигналом с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей.
- Разработана двухэтапная процедура многокритериального синтеза четы-рехпозиционных радиосигналов с расширением спектра, обеспечивающая за счет использования аппарата ВПР эффективную адаптацию ИСПИ к действующим СП. Произведен анализ зависимости степени уменьшения влияния СП от применяемого базиса ВПР. Показано, что радиосигналы с синтезированным ансамблем КП при воздействии АБГШ и СП обеспечивают порог помехоустойчивости g < 8 дБ при отношении сигнал-помеха q >—5 дБ, что на 5 дБ превосходит значе-
ния данного показателя для рассмотренных известных радиосигналов (QPSK с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей). У синтезированных радиосигналов показатель качества перепутывания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации улучшен более чем в 2 раза, а уровень боковых лепестков АКФ по критерию (2.5) на 5 % меньше по сравнению с сигналом с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей.
- Показана возможность реализации процедур многокритериального синтеза четырехпозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП для адаптации ИСПИ как к УП (/кп = 32, Я5 = 8 кбит/с, пр = 200, оперативность
адаптации к УП - менее 25 мс), так и к СП (/кп = 32, Я8 = 8 кбит/с, пт = 15, оперативность адаптации к СП составит менее 2 мс) на современной отечественной элементной базе (ЦСП 1892ВМ7Я).
3 МЕТОД И ПРОЦЕДУРЫ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА МНОГОПОЗИЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ С ПРЯМЫМ РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАБОРА
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ И АНСАМБЛЯ КОДОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ДЛЯ АДАПТАЦИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ДЕЙСТВИЮ ПОЛОСОВЫХ И НЕСКОЛЬКИХ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ
3.1 Вводные замечания
В условиях действия сложной (когда в полосе частот сигнала действует несколько источников радиопомех), динамически изменяющейся помеховой обстановки ВЗБЗ-радиосигналы с фиксированными параметрами, как правило, не реализуют потенциальных характеристик ИСПИ. Известные системы когнитивного радио [21... 24, 129... 133] модуляции способны менять используемый спектральный диапазон, но такой подход является экстенсивным и не всегда применим, так как доступный частотный ресурс для радиоканала обычно жестко ограничен. В данных условиях целесообразен синтез радиосигналов, обеспечивающих увеличение помехоустойчивости ИСПИ при текущих внешних мешающих факторах. Радиосигналы с прямым расширением спектра допускают изменение своих свойств за счет синтеза как структуры (т.е. ансамбля кодовых последовательностей), так и формы огибающей (т.е. набора элементарных импульсов). В этом случае необходимо учитывать достоинства, недостатки и использовать наиболее эффективный для соответствующей отдельной части сложной помеховой обстанов-
ки способ увеличения помехоустойчивости ИСПИ. Для недопущения неконтролируемого изменения других важных характеристик ИСПИ представляет интерес применение многокритериального подхода.
В условиях дефицита частотного ресурса на практике один и тот же спектральный диапазон могут совместно использовать радиосистемы передачи информации на основе сигналов как с прямым расширением спектра, так и без него (узкополосные радиоканалы). При этом имеют место взаимные помехи, ограничивающие реализуемые характеристики радиосистем. Для уменьшения данного мешающего фактора классическим способом является увеличение базы радиосигналов с прямым расширением спектра, что приводит к расширению занимаемого частотного диапазона и соответствующему снижению действующей мощности на узкополосный радиоканал. Однако при ограниченном быстродействии цифровой приемо-передающей аппаратуры такой способ также приводит к снижению скорости передачи информации радиосистемой с прямым расширением спектра. В этом случае актуальным становится вопрос разработки процедуры многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра для эффективного совместного использования одного частотного диапазона с узкополосными радиоканалами.
При действии на ИСПИ полосовой помехи [37], то есть мешающего фактора с шириной спектра более 10 % от ширины СПМ полезного сигнала также целесообразно производить многокритериальный синтез радиосигналов с прямым расширением спектра. Например, за счет определения ансамбля КП для ВЗББ-радиосигнала возможно формирование провалов в СПМ синтезируемого сигнала таким образом, чтобы узкий провал (сформированный за счет определения набора элементарных импульсов) дополнялся до охвата частот, на которые воздействует 1111. Представляет интерес проведение имитационного моделирования многокритериального синтеза радиосигналов в условиях действия ПП при помощи как совместного, так и отдельного определения набора огибающих элементарных им-
пульсов и ансамбля расширяющих КП, а также выполнение сравнительного анализа соответствующих результатов по помехоустойчивости и корреляционным показателям качества радиосигналов.
Таким образом, исходя из вышеперечисленного в 3-й главе необходимо решить следующие задачи:
- в зависимости от параметров сложной помеховой обстановки проанализировать особенности применения того или иного способа увеличения помехоустойчивости ИСПИ с помощью многокритериального синтеза радиосигналов;
- исследовать целесообразность адаптации ИСПИ к действию помех путем совместного многокритериального синтеза как набора элементарных импульсов, так и ансамбля кодовых последовательностей;
- обосновать процедуру многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра для адаптации радиосистем передачи информации к сложной помеховой обстановке и проанализировать ее эффективность;
- разработать и проанализировать реализуемые характеристики процедуры многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра для эффективного совместного использования одного частотного диапазона с узкополосными радиоканалами;
- обосновать процедуры многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра для адаптации радиосистем передачи информации к действию полосовых помех и проанализировать их эффективность;
- рассмотреть практические аспекты реализации разработанных процедур многокритериального синтеза радиосигналов на основе определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля кодовых последовательностей в интересах адаптации ИСПИ к действующей помеховой обстановке.
3.2 Процедура многокритериального синтеза
многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра в интересах адаптации систем передачи информации к действию сложной помеховой обстановки
3.2.1 Обоснование процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов для увеличения
помехоустойчивости систем передачи информации в условиях сложной помеховой обстановки
Как отмечалось выше (см. главу 2), из анализа выражения (2.1) следует, что свойства ИСПИ, в том числе обеспечивающие минимизацию воздействия помех, зависят как от набора элементарных импульсов, так и от ансамбля расширяющих КП. Следовательно, возможен синтез сложных многопозиционных радиосигналов [106, 107] для обеспечения гибкой адаптации ИСПИ к сигнально-помеховой обстановке и дополнительного увеличения структурной скрытности, чем при формировании одиночной расширяющей КП.
Для определения количественных характеристик, в данной главе целесообразно рассмотреть адаптацию ИСПИ как за счет синтеза ансамбля КП, так и за счет определения набора элементарных импульсов. Следует отметить, что поставленная задача представляет собой обобщенный случай синтеза КА.
Для уточнения постановки задачи многокритериального синтеза необходимо ограничить класс сигналов, используемых при адаптации в ИСПИ. Целесообразно рассмотреть четырехпозиционные радиосигналы как обладающие сравнительно высокими характеристиками при компактном объеме канального алфавита, что, в свою очередь, положительно сказывается на уменьшении вычислитель-
ной сложности процедур синтеза [35, 36]. При этом разрабатываемые процедуры не теряют общности, и при соответствующих параметрах могут быть применены для многокритериального синтеза радиосигналов с позиционностью М > 4.
В качестве модели сложной помеховой обстановки, без потери общности, представляет интерес рассмотрение совокупности не менее 3-х рРБК-сигналов (без расширения спектра), действующих в той же полосе частот, что и ИСПИ. Такое помеховое воздействие для радиосистем с прямым расширением спектра может рассматриваться как совокупность узкополосных (полосовых) помех.
Многокритериальный синтез набора элементарных импульсов целесообразно осуществлять на основе определения КА для радиосигналов без расширения спектра [91] (с учетом СПМ для действующей сложной помеховой обстановки).
Следовательно, представляет интерес рассмотрение следующих критериев качества ИСПИ [134]:
а) максимизации пропускной способности при минимизации действия узкополосных помех на СПИ путем формирования провалов в спектральной плотности мощности синтезируемого набора элементарных импульсов;
б) максимизации помехоустойчивости к действию АБГШ путем увеличения евклидова расстояния между элементами синтезируемого набора;
в) минимизации внеполосного излучения с помощью задания штрафа при превышении эталонной СПМ;
г) минимизации пик-фактора путем уменьшения квадрата коэффициента вариации мгновенной мощности сигнала, вычисленного по элементам синтезируемого набора элементарных импульсов.
Процедура синтеза многопозиционных радиосигналов на основе определения элементов КА была рассмотрена в п. 1.4, при этом инициализировался алгоритм определения области решений, на первом этапе которого при помощи функцио-
нальной зависимости между синтезированными радиосигналами и внешними параметрами задачи оптимизации (аналогично п. 1.7.1) вычислялось приближение КА (8 С). На втором этапе производится сравнение значений целевой функции
при 8С с достигнутым на предыдущей (у — 1) итерации (т.е. при 8(/—1)); аргумент (КА) целевой функции с меньшим значением принимается принадлежащим области решений. Затем минимизация выполняется квазиньютоновским методом для целевой функции (1.29), а в качестве начальных условий выбирался КА известного сигнала (для случая четырехпозиционного сигнала - КА для РРБК-сигнала).
Многокритериальный синтез структуры радиосигнала с прямым расширением спектра целесообразно осуществлять на основе процедуры многокритериального синтеза ансамбля КП, в котором для рационального использования ресурсов радиоканала применялись критерии качества, отвечающие за пропускную способность и минимизацию действия как УП, так и АБГШ, а также косвенно обеспечивающие минимизацию перепутывания информационного символа при погрешностях тактовой синхронизации. Предлагается использовать следующие критерии приближения и качества [134]:
а) критерий максимума пропускной способности за счет ослабления действия УП. Здесь провалы в СПМ на частотах действия помех формируются за счет синтеза ансамбля КП (В);
б) критерий максимума помехоустойчивости при действии АБГШ. Данный критерий аналогичен соответствующему критерию для набора элементарных импульсов;
в) косвенный критерий минимума перепутывания информационных символов при погрешностях тактовой синхронизации реализуется путем уменьшения среднеарифметического значения модулей взаимно-корреляционной функции элементов ансамбля КП (в 10 %-м центральном диапазоне ВКФ);
г) косвенный критерий максимума точности тактовой синхронизации, который достигается путем уменьшения среднеарифметического значения модулей боковых лепестков автокорреляционной функции элементов ансамбля КП, особенно вблизи главного лепестка.
Процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП была приведена п. 2.2, где было показано, что в качестве алгоритма оптимизации для решения данной задачи можно использовать метод МГА+ПС по критерию минимума целевой функции (2.7).
Проведенные исследования (см. главы 1 и 2) показали, что рассмотренные выше способы увеличения помехоустойчивости обладают следующими особенностями [135]:
- многокритериальный синтез набора элементарных импульсов обеспечивает формирование относительно широкого и глубокого провала на частоте действия УП, однако при этом увеличивает занимаемую полосу частот сигнала по уровню СПМ -30 дБ;
- многокритериальный синтез ансамбля расширяющих кодовых последовательностей реализует формирование сравнительно узких провалов без увеличения ширины СПМ сигнала, однако при этом не достигается сравнимой (с предыдущим способом) помехоустойчивости, особенно при мощных мешающих воздействиях с относительно большой полосой занимаемых частот.
Таким образом, в зависимости от параметров каждой конкретной УП (действующей в составе сложной помеховой обстановки) целесообразно применять наиболее эффективный в данном случае способ увеличения помехоустойчивости ИСПИ с помощью многокритериального синтеза радиосигналов. Для выбора того или иного способа уменьшения действия на СПИ помех целесообразно рассмотреть следующие параметры мешающих воздействий: мощность (отношение сигнал-помеха) действующей УП, относительная ширина СПМ помехи и близость
средней частоты УП к частотам с наибольшей концентрацией энергии сигнала.
Тогда для определения мешающего воздействия (например УП), к которому будет осуществляться адаптация СПИ с помощью синтеза набора элементарных импульсов, целесообразно использовать следующее выражение:
Здесь #П у, А/П и вПу (/) - соответственно отношение сигнал-помеха (в
дБ), относительная ширина полосы СПМ и непосредственно нормированная СПМ у -го источника мешающего воздействия; в(/) - нормированная СПМ полезного радиосигнала; Д - весовые коэффициенты для каждого входящего критерия качества.
В общем случае все перечисленные факторы оказывают равнозначное негативное воздействие на характеристики СПИ, следовательно, при отсутствии априорной информации об эффективности влияния конкретного фактора текущей помеховой обстановки на ИСПИ можно задать Д = Д2 = Д = 1/3.
Таким образом, процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с расширением спектра при адаптации ИСПИ к действию сложной помеховой обстановки включает в себя следующие этапы [136]:
а) Среди действующих источников помех в данный момент времени производить определение помеховой составляющей, оказывающей наиболее негативное влияние на ИСПИ по совокупности выше обозначенных факторов (см. выражение (3.1)).
б) Для определенной на этапе 1 помеховой составляющей осуществлять адаптацию СПИ с помощью многокритериального синтеза набора элементарных импульсов (см. п. 1.4). С учетом соответствующих весовых коэффициентов с1
штДМ^у + Д2М2 / Л/п+ Д3М31| 0(/) — впу(I) |2 #},
3
(3.1)
2=1
формировать целевую функцию, согласно выражению (1.29), а при помощи квазиньютоновского метода оптимизации вычислять точку приближения к экстремуму.
в) После этого к оставшимся источникам мешающих факторов из состава сложной помеховой обстановки целесообразно производить адаптацию ИСПИ за счет многокритериального синтеза ансамбля КП. Для этого по полученной СПМ помехового воздействия можно определить эталонную СПМ Оор1 (/) и сформировать целевую функцию согласно выражению (2.7) при учете весовых коэффициентов а{ (соответствуют весовым коэффициентам с в выражении (2.7), переобозначение введено для избегания путаницы между коэффициентами для разных способов многокритериального синтеза радиосигналов). При помощи метода оптимизации МГА определить предполагаемую область решений, а методом ПС вычислить точку приближения к экстремуму.
3.2.2 Анализ реализуемых показателей качества при адаптации радиосистем передачи информации к сложной помеховой обстановке с помощью многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра
В интересах оценки реализуемых показателей качества ИСПИ на основе многокритериального синтеза радиосигналов в условиях сложной помеховой обстановки было проведено имитационное моделирование следующих процессов:
- постановки радиопомех;
- многокритериального синтеза и формирования радиосигналов с прямым расширением спектра;
- воздействия на полезный сигнал АБГШ и помехи;
- детектирования из принятой смеси информационной составляющей радиосигнала;
- определения реализованных характеристик ИСПИ при текущих условиях (параметрах АБГШ и мешающего воздействия), накопления статистики.
Как показатель качества минимизации действия на ИСПИ совокупности 3-х УП и АБГШ рассматривался порог помехоустойчивости g, т.е. значение отношения Еь / Ы0, при котором достигается вероятность битовой ошибки Ро = 10-3 (без учета влияния помехоустойчивого кодирования). Для каждого значения порога помехоустойчивости накапливалось не менее 100 ошибочных бит, кроме того, статистика набирается по 100 реализациям смеси полезного сигнала, АБГШ и помех.
Применяется следующая модель сложной помеховой обстановки: совокупность 3-х рРБК-сигналов без расширения спектра с параметрами: средние нормированные частоты составляли 0,05; 0,7; -0,8 /Т8 соответственно (при данном нормировании 0 /Т8 соответствует несущей частоте полезного сигнала); ширина полосы СПМ по уровню -10 дБ - 7 % от ширины СПМ известного сигнала (для каждой отдельной помехи); отношение мощностей помех 2:1 :1 . Данные параметры помеховой обстановки реализуют одну из наиболее сложных ситуаций для ИС-ПИ: более мощная помеха действует на частоте, близкой к несущей частоте полезного сигнала, две остальные помехи расположены асимметрично относительно несущей частоты; радиопомехи требуют для минимизации своего действия формирования независимых провалов в СПМ синтезируемого радиосигнала.
На рисунке 3.1 приведены зависимости порога помехоустойчивости от отношения сигнал-помеха для синтезированных и известного ^РБК-сигнал, у которого для уменьшения внеполосного излучения форма элементарного импульса имела следующий вид: р2(1) = / Т8), 0 < ^ < Т8) радиосигналов с прямым
расширением спектра. Для исследования целесообразности адаптации ИСПИ к
действию помех путем совместного многокритериального синтеза как набора элементарных импульсов, так и ансамбля кодовых последовательностей также приведены результаты адаптации ИСПИ только за счет определения структуры радиосигнала (т.е. при многокритериальном синтезе ансамбля КП).
ДБ
18
14
10
6
-15 -10 -5 0 д, дБ
Рисунок 3.1 — Зависимости порога помехоустойчивости от отношения сигнал-помеха при сложной помеховой обстановке
Здесь МК синтез сигнала (КА + КП) - многокритериальный синтез сигнала за счет определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля кодовых последовательностей; МК синтез сигнала (КП) - за счет определения ансамбля кодовых последовательностей: формировались 3 провала в СПМ (на частотах действия помех), а синтез набора элементарных импульсов не производился. Длина КП - 32 элемента, при этом аналогичные результаты были получены при длинах КП 64 и 96.
Из анализа данного рисунка следует, что применение многокритериального синтеза как для набора элементарных импульсов, так и для ансамбля КП позволяет получить выигрыш (по сравнению с рРБК-сигналом с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей) порядка 10 дБ (по отношению
-Г %
\ * 1 —МК си ■ 1\Л кГ Г\А нтез сигнала (КА + КП) нтез сигнала (КП) ¡-сигнал с ОЭвБ
V 1 1 ....ОРЭК
\ * \ » 1 » 1
Л * \ ♦ % \ X X
\ ^ * Ч \ X X х
-■ —1
^ С ""в! Ш
сигнал-помеха) в условиях сложной помеховой обстановки при сохранении порога помехоустойчивости на уровне рРБК-сигнала при воздействии только АБГШ. Отказ от синтеза набора элементарных импульсов (при этом адаптация ИСПИ к помеховой обстановке производится только за счет определения ансамбля КП) приводит к уменьшению показателя качества помехоустойчивости на величину до 2 дБ (по отношению сигнал-помеха).
Необходимо отметить, что многокритериальный синтез набора элементарных импульсов выполнялся при весовых коэффициентах с1 = 0,5; с3 = 0,3 , следовательно, показатели качества внеполосного излучения и энергоэффективности аналогичны приведенным в [91]. Значения весовых коэффициентов (при синтезе как ансамбля КП, так и набора элементарных импульсов) задавались по результатам предварительных исследований следующим образом:
- определялось минимально допустимое значение коэффициента а2 (с2), при котором не происходило ослабления помехоустойчивости к действию АБГШ;
- фиксировалось значение коэффициента а1 (с1), при котором достигается наиболее эффективная минимизация действия сложной помеховой обстановки на ИСПИ;
качества в интересах недопущения резкого ухудшения соответствующих характеристик.
Кроме того, для определения реализованных корреляционных характеристик синтезированных радиосигналов в таблице 3.1 приведены выигрыши по соответствующим критериям качества в сравнении с рРБК-сигналом с расширением ансамблем дополненных М-последовательностей. Здесь отрицательное значение величины, приведенной в таблице, соответствует проигрышу по косвенному критерию качества.
4
л
- при условии
£ с г = 1 задавался компромисс между критериями
У
Таблица 3.1 — Относительные корреляционные характеристики
синтезированных радиосигналов в сравнении с известным сигналом
Выигрыш по косвенному критерию
минимума перепутывания информационных символов при погрешностях тактовой синхронизации (ВКФ), % максимума точности тактовой синхронизации (АКФ), %
Двухкритериальный
синтез сигнала (КП), 21 -68
0= 0,95, о2 = 0,05
МК синтез сигнала
(КП), о = 0,75, 1 -18
о2 = 0,05, о = 0,01
МК синтез (КА) + двух-
критериальный синтез (КП) о = 0,95, -33 -59
О = 0,05
МК синтез сигнала (КА
+ КП), о = 0,7, 19 -4
О = 0,05, о = 0,01
Двухкритериальный синтез сигнала с помощью определения ансамбля КП
учитывал критерии максимума пропускной способности за счет ослабления действия УП (о = 0,95) и максимума помехоустойчивости при действии АБГШ (а2 = 0,05). Увеличение (по сравнению с «МК синтезом сигнала (КА + КП)») веса коэффициента а1 до 0,75 в случае многокритериального синтеза только ансамбля КП связано с необходимостью выбора минимально допустимого значения данного весового коэффициента для эффективного формирования трех независимых провалов в СПМ радиосигнала.
Из анализа таблицы 3.1 следует, что более адекватные корреляционные характеристики обеспечивает многокритериальный синтез сигнала за счет определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля кодовых последовательностей. Следовательно, для ИСПИ в сложной помеховой обстановке целесо-
образно применение именно такого способа. При этом и в данном случае возникает незначительное увеличение боковых лепестков АКФ (до 4 %) у синтезированного радиосигнала. Это происходит за счет того, что показатели качества, формирующие провал в СПМ и минимизирующие боковые лепестки АКФ, являются по сути антагонистическими.
Использование многокритериального синтеза ансамбля КП позволяет уменьшить деградацию косвенного критерия максимума точности тактовой синхронизации. Это свидетельствует в пользу целесообразности применения многокритериального подхода.
Таким образом, обоснована процедура многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра для адаптации ИСПИ к сложной помеховой обстановке. Показано, что минимизацию действия таких радиопомех целесообразно производить за счет определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля КП. Это позволяет получить выигрыш (по сравнению с РРБК-сигналом с расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей) на величину порядка 10 дБ (по отношению сигнал-помеха) в условиях сложной помеховой обстановки при сохранении порога помехоустойчивости на уровне рРБК-сигнала при воздействии только АБГШ. Кроме того, применение двух механизмов минимизации действия помех позволяет более эффективно распределить ресурсы между рассматриваемыми критериями качества. Это, в свою очередь, приводит к увеличению показателя качества помехоустойчивости на 2 дБ (по отношению сигнал-помеха), а также к улучшению корреляционных характеристик (по сравнению с многокритериальным синтезом радиосигнала только за счет определения ансамбля КП): по критерию минимума перепутывания информационных символов при погрешностях тактовой синхронизации достигается улучшение на 18 %; а по критерию максимума точности тактовой синхронизации - на 14 %.
Однако за рамками рассмотрения осталась возможность формирования не-
скольких провалов в СПМ за счет определения набора элементарных импульсов. Это, с одной стороны, вызовет снижение спектральной эффективности синтезируемых сигналов, с другой, увеличение устойчивости ИСПИ к действию более мощных помех. Следует отметить, что при использовании класса радиосигналов с прямым расширением спектра некоторое дополнительное снижение спектральной эффективности на практике может и не являться недостатком.
В дополнение к полученным ранее результатам (см. рисунок 3.1) на рисунке 3.2 приведены зависимости порога помехоустойчивости от отношения сигнал-помеха для синтезированных радиосигналов с прямым расширением спектра при формировании нескольких провалов в СПМ за счет определения набора элементарных импульсов. g,
ДБ 18
14
10
6
-20 -15 -10 -5 0 с], дБ
Рисунок 3.2 — Зависимости порога помехоустойчивости от отношения сигнал-помеха при сложной помеховой обстановке (дополнение)
Здесь число в скобках представляет собой количество независимых провалов в СПМ синтезированного радиосигнала, сформированных при помощи соответствующего подхода. Например, «КА(2) + КП(1)» - многокритериальный синтез сигнала за счет определения двух провалов в СПМ при помощи элементарных
импульсов, и одного - при помощи ансамбля кодовых последовательностей.
Из анализа рисунка 3.2 следует, что применение многокритериального синтеза за счет определения «КА(2) + КП(1)» позволяет получить выигрыш (по сравнению со случаем «КА(1) + КП(2)») порядка 5 дБ (по отношению сигнал-помеха) в условиях сложной помеховой обстановки при сохранении порога помехоустойчивости на уровне рРБК-сигнала при воздействии только АБГШ. Другими словами, за счет формирования относительно широкого и глубокого второго провала в СПМ на частоте действия УП (при помощи определения элементарных импульсов) ожидаемо повышается устойчивость ИСПИ к действию сложной помеховой обстановки.
Однако отказ от синтеза ансамбля КП (при этом адаптация ИСПИ к помехо-вой обстановке производится только за счет определения набора элементарных импульсов) приводит к уменьшению показателя качества помехоустойчивости на величину до 3 дБ (по отношению сигнал-помеха). Это объясняется трудностью формирования трех независимых и сравнительно близко расположенных провалов в СПМ синтезируемого радиосигнала: на частоте центральной УП (0,05 /Т5) хотя и обеспечивалось уменьшение значения спектральных составляющих на величину до 8 дБ (относительно максимума), но формирование полноценного (как в случае двух других помех) провала в СПМ синтезируемого сигнала не происходило.
В таблице 3.2 приведены показатели качества внеполосного излучения и энергоэффективности для известных и синтезированных радиосигналов.
Из анализа таблицы 3.2 следует, что формирование дополнительного провала в СПМ за счет определения набора элементарных импульсов приводит к расширению занимаемой полосы частот и ухудшению энергетической эффективности. Так синтезированные радиосигналы (КА(2) + КП(1)) в сравнении с сигналом (КА(1) + КП(2)) имеют большую ширину СПМ как по уровню -30 дБ на 21%, так
и по уровню - 60 дБ на 29%; а значение пик-фактора возрастает на 19%. Стоит отметить, что ухудшение данных характеристик у сигнала (КА(2) + КП(1)) по сравнению и с сигналом (КА(3)) связано с тем, что в первом случае формируются полноценные глубокие провалы в СПМ на соседних частотах УП (т.е. на 0,05 и -0,8 /Т8), а во втором - на частотах УП (0,7 и -0,8 Т).
Таблица 3.2 — Показатели качества внеполосного излучения и энергоэффективности для синтезированных радиосигналов
Вид модуляции Ширина СПМ на уровне -30 дБ, /Т5 Ширина СПМ на уровне -60 дБ, /Т5 Пик-фактор
МК синтез сигнала (КП(3)) или QPSK-сигнал (р2(г)) 3,8 13,4 1,6
МК синтез сигнала (КА(1) + КП(2)) 5,6 8,5 1,6
МК синтез сигнала (КА(3)) 6,8 9,1 1,7
МК синтез сигнала (КА(2) + КП(1)) 6,8 11,0 1,9
В дополнение к полученным ранее результатам (см. таблицу 3.1) для определения реализованных корреляционных характеристик синтезированных радиосигналов в таблице 3.3 приведены выигрыши по соответствующим критериям качества в сравнении с QPSK-сигналом с расширением ансамблем дополненных M-последовательностей. Здесь отрицательное значение величины, приведенной в таблице, соответствует проигрышу по косвенному критерию качества.
Из анализа таблицы 3.3 следует, что более адекватные корреляционные характеристики обеспечивает многокритериальный синтез сигнала (КА(2) + КП(1)), т.е. за счет определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля кодовых последовательностей. Это подтверждает, что для ИСПИ с прямым расширением спектра (без жестких ограничений на спектральную и энергетическую эффективности) в сложной помеховой обстановке целесообразно применение
именно такого способа.
Таблица 3.3 — Относительные корреляционные характеристики синтезированных радиосигналов в сравнении с известным сигналом (дополнение)
Выигрыш по косвенному критерию
минимума перепутывания информационных символов при погрешностях тактовой синхронизации (ВКФ), % максимума точности тактовой синхронизации (АКф), %
МК синтез сигнала (КП(3)), с = 0,75, с2 = 0,05, с = 0,01 1 -18
МК синтез сигнала (КА(1) + КП(2)), С = 0,7, а2 = 0,05, с3 = 0,01 19 -4
МК синтез сигнала (КА(3)) 0 0
МК синтез сигнала (КА(2) + КП(1)), С = 0,75, с = 0,05, с3 = 0,01 120 8
Значения весовых коэффициентов а1 = 0,75, а2 = 0,05, аъ = 0,01 для случая многокритериального синтеза сигнала (КА(2) + КП(1)) были выбраны таковыми для адекватного сравнения с рассмотренными ранее подходами.
При многокритериальном синтезе радиосигналов (КА(3)) определение ансамбля КП не производилось в интересах экономии вычислительных ресурсов. Однако и в данном случае возможен синтез ансамбля КП для перераспределения компромисса между соответствующими корреляционными характеристиками (см. главу 2) или же дополнительного подавления мешающих факторов (см. п. 3.3).
Из анализа таблиц 3.2 и 3.3 следует, что синтез дополнительных провалов в СПМ сигнала требует перераспределения доступных ресурсов радиоканала, что в
свою очередь сказывается на некоторой деградации других характеристик: корреляционных (в случае определения ансамбля КП), энергетической и спектральной эффективностей (при определении набора элементарных импульсов). Поэтому с учетом требований конкретной ИСПИ, минимизацию действия сложной помехо-вой обстановки целесообразно производить за счет определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля КП.
Разработанные процедуры многокритериального синтеза не накладывают ограничения на количество действующих независимых мешающих факторов. В рассмотренном случае максимально формировались по три провала в СПМ за счет определения как набора элементарных импульсов, так и ансамбля КП, т.е. в предельном случае возможна адаптация к действию шести независимых источников сосредоточенных по спектру помех. Стоит заметить, что дальнейшее увеличение количества мешающих факторов маловероятно как с точки зрения возникновения такой ситуации на практике, так и - целесообразности продолжения работы ИСПИ в данном спектральном диапазоне.
3.2.3 Анализ минимизации воздействия на узкополосные радиоканалы за счет многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра при совместном использовании частотного диапазона
В условиях дефицита частотного ресурса на практике один и тот же спектральный диапазон могут совместно использовать радиосистемы передачи информации на основе сигналов как с прямым расширением спектра, так и без него (узкополосные радиоканалы). При этом имеют место взаимные помехи, ограничивающие реализуемые характеристики радиосистем. Для уменьшения данного мешающего фактора классическим способом является увеличение базы радиосиг-
налов с прямым расширением спектра, что приводит к расширению занимаемого частотного диапазона и соответствующему снижению действующей мощности на узкополосный радиоканал. Однако при ограниченном быстродействии цифровой приемо-передающей аппаратуры такой способ также приводит к снижению скорости передачи информации ВЗБЗ-системой. Кроме того, при расширении частотного диапазона существует вероятность воздействия на дополнительный узкополосный радиоканал.
Стоит отметить, что для ВЗБЗ-радиосистем передачи информации сигналы без расширения спектра воспринимаются как узкополосные помехи. В работах [136, 137] рассматривается задача многокритериального синтеза радиосигналов с прямым расширением спектра, обеспечивающих эффективную работу систем передачи информации в условиях действия узкополосных (полосовых) помех. Минимизация воздействия таких помех достигается за счет синтеза провалов в СПМ с помощью определения как структуры (т.е. ансамбля КП), так и формы огибающей (т.е. набора элементарных импульсов) радиосигналов. Однако за рамками данных работ остается вопрос о воздействии синтезированных и известных сигналов с прямым расширением спектра на узкополосные радиоканалы. Следовательно, представляет интерес исследование реализуемых характеристик обозначенных процедур многокритериального синтеза при совместном использовании одного и того же спектрального диапазона радиосистемами передачи информации на основе сигналов как с прямым расширением спектра, так и без него.
Для оценки воздействия синтезированных и известных сигналов с прямым расширением спектра на узкополосные радиоканалы, при совместном использовании одного и того же частотного диапазона, было проведено имитационное моделирование следующих процессов:
- формирование полезного сигнала в рамках узкополосного радиоканала;
- генерация радиопомех в виде радиосигнала с прямым расширением спек-
тра, сформированного при помощи синтезированного или известного КА;
- добавления к полезному сигналу АБГШ и мешающего воздействия;
- детектирования из принятой смеси информационной составляющей узкополосного радиосигнала при помощи модели схемы, построенной на основе критерия максимума отношения правдоподобия;
- определения реализованных характеристик ИСПИ в рамках узкополосного радиоканала при текущих условиях (параметрах АБГШ и мешающего воздействия), накопления статистики.
Как показатель качества минимизации действия на узкополосный радиоканал совокупности DSSS-сигнала и АБГШ рассматривался порог помехоустойчивости g, т.е. значение отношения Еь / Ы0, при котором для радиоканала без расширения спектра достигается вероятность битовой ошибки Р = 10-3 (без учета влияния помехоустойчивого кодирования).
На рисунке 3.3 приведены зависимости порога помехоустойчивости QPSK-сигнала от отношения сигнал-помеха (д) при АБГШ и мешающем воздействии в виде четырехпозиционного радиосигнала с прямым расширением спектра, при этом несущие частоты полезного сигнала и помехи совпадают.
Здесь зависимость «QPSK-сигнал» иллюстрирует случай воздействия на узкополосный канал АБГШ и QPSK-сигнала (т.е. известного) с прямым расширением спектра; провалы в СПМ синтезированного DSSS-сигнала получены за счет определения ансамбля КП (см. «Синтез. сигнал (КП)») и огибающей (см. «Синтез. сигнал (КА)»). Для каждого значения порога помехоустойчивости накапливалось не менее 100 ошибочных бит, кроме того, статистика набирается по 100 реализациям смеси полезного сигнала, АБГШ и помех. Длина расширяющей КП составляет 32 элемента.
ДБ 18
14
10
6
-25 -15 -5 ч, ДБ
Рисунок 3.3 — Зависимости порога помехоустойчивости QPSK-сигнала от
отношения сигнал-помеха при АБГШ и мешающем воздействии в виде радиосигнала с прямым расширением спектра, несущие частоты полезного
сигнала и помехи совпадают
Из анализа рисунка 3.3 следует, что в сравнении с известными синтезированные сигналы снижают негативное воздействие на узкополосные радиоканалы (в терминах отношения сигнал-помеха) на 6 дБ и 21 дБ соответственно для случая определения ансамбля КП и огибающей радиосигнала. Выигрыш на 15 дБ по данному показателю со стороны ВЗББ-сигналов с многокритериальным синтезом набора элементарных импульсов (т.е. формы огибающей) связан с формированием более глубокого провала в СПМ на частотах работы узкополосного радиоканала. Однако это же является причиной увеличения ширины спектра по уровню -30 дБ на 32%, при этом по уровню СПМ -60 дБ наблюдалось сокращение (за счет применения соответствующего критерия качества при синтезе) внеполосного излучения на 50% в сравнении с характеристиками радиосигнала, сформированного при помощи синтезированного ансамбля КП, у которого для уменьшения внеполосного излучения форма элементарного импульса имела следующий вид: р2(/) = вт2(я/ / Т), 0 < ^ < Т. Стоить отметить, что при формировании одного
~—I-1-1- -Синтез, сигнал (КП) ■ - - - О РБК-сигнал — ■ -Синтез, сигнал (КА^
—I— \ 1
1 1 (
Г » .....\................... \ \ V
» ч % \ \ \
..........................\ Ч ч •ч V
провала в СПМ за счет многокритериального синтеза ансамбля КП наблюдается изменение корреляционных характеристик сигнала: показатель качества перепу-тывания информационного символа при погрешностях системы тактовой синхронизации улучшен более, чем в 5 раз, а уровень боковых лепестков АКФ по соответствующему критерию возрастал на 4 %.
На рисунке 3.4 приведены зависимости порога помехоустойчивости QPSK-сигнала от отношения сигнал-помеха при АБГШ и мешающем воздействии в виде четырехпозиционного радиосигнала с прямым расширением спектра, при этом несущие частоты полезного сигнала и помехи смещены на величину 0,7 /Г5.
ДБ 18
14
10
6
1 Синтез, сигнал (КП) — QPSK-сигнал
\ \ ___ t
\ \ 1
\ \ \
\ \ \ \
\
\ Ч N Ч
-15 -10 -5 0 <7. ДБ
Рисунок 3.4 — Зависимости порога помехоустойчивости QPSK-сигнала от
отношения сигнал-помеха при АБГШ и мешающем воздействии в виде радиосигнала с прямым расширением спектра, несущие частоты полезного сигнала и помехи смещены на величину 0,7 fTS
Из анализа рисунка 3.4 следует, что в сравнении с известными синтезированные сигналы снижают негативное воздействие на узкополосные радиоканалы (в терминах отношения сигнал-помеха) на 7 дБ для случая определения ансамбля КП. При этом смещение несущих частот полезного сигнала и помехи относитель-
но друг друга на сравнительно большую величину (0,7 ]Т8) приводит к незначительному (порядка 1 дБ) увеличению помехоустойчивости узкополосных радиоканалов при действии сигналов с расширением спектра как с синтезированной, так и с известной КП (см. рисунки 3.3 и 3.6). Это связано с уменьшением уровня мешающего воздействия за счет формы огибающей СПМ на частоте узкополосного радиоканала.
В интересах эффективного совместного использования одного частотного диапазона узкополосными радиоканалами и сигналами с прямым расширением спектра целесообразно определить процедуру выбора способа минимизации взаимных помех [138, 139]:
- при отношении сигнал-помеха q > — 1 дБ можно использовать известные сигналы с прямым расширением спектра (ухудшение порога помехоустойчивости для узкополосных радиоканалов составит менее 1 дБ);
- при отношении сигнал-помеха q >—7 дБ целесообразно применять сигналы с прямым расширением спектра на основе многокритериального синтеза ансамбля КП;
- при значительной величине отношения сигнал-помеха (q >-22 дБ) целесообразно применять сигналы с прямым расширением спектра на основе многокритериального синтеза набора элементарных импульсов.
Необходимо отметить, что при некоторых отношениях сигнал-помеха возможно равнозначное применение нескольких способов минимизации действия ВЗББ-сигналов (с точки зрения помехоустойчивости). В таком случае на выбор способа также влияют другие реализуемые характеристики ИСПИ: допустимость контролируемого изменения как корреляционных характеристик сигналов (в случае многокритериального синтеза ансамбля КП), так и ширины СПМ (в случае многокритериального синтеза набора элементарных импульсов).
При наличии в полосе радиосигнала с прямым расширением спектра нескольких узкополосных радиоканалов целесообразно комбинирование выше обозначенных способов. В данном случае выбор способа дополнительно определяется параметрами каждого конкретного узкополосного радиоканала [136] (относительная ширина СПМ и близость средней частоты к частотам с наибольшей концентрацией энергии ВЗБЗ-сигнала).
3.3 Процедуры многокритериального синтеза
многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра в интересах адаптации систем передачи информации к действию полосовой помехи
3.3.1 Обоснование процедур многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра в интересах адаптации систем передачи информации к действию полосовой помехи
При адаптации ИСПИ к действующим 1111 также целесообразно производить многокритериальный синтез радиосигналов с провалом в СПМ на частотах действия помехи [137, 140, 141]. В случае применения радиосигналов с прямым расширением спектра возможны изменения их свойств за счет синтеза как структуры, так и формы огибающей [134]. В сравнении с работами [108, 142] (т.е. с адаптацией СПИ к действию УП) синтез радиосигналов с широким провалом в СПМ на частотах действия ПП представляет собой более ресурсоемкую задачу, которая, в свою очередь, при многокритериальном подходе влечет изменение достигаемого компромисса между реализуемыми характеристиками ИСПИ.
Как отмечалось выше (см. п. 3.2.1), многокритериальный синтез набора элементарных импульсов целесообразно осуществлять на основе определения КА для радиосигналов без расширения спектра [91] (с учетом СПМ для действующей помеховой обстановки в виде 1111). Векторный критерий качества учитывает наиболее значимые для ИСПИ показатели качества, а именно ослабление действия ПП, внеполосное излучение, помехоустойчивость при АБГШ и энергоэффективность формируемого радиосигнала. Процедура синтеза многопозиционных радиосигналов на основе определения элементов КА рассмотрена в п. 1.4, при этом инициализируется алгоритм определения области решений, на первом этапе которого при помощи функциональной зависимости между синтезированными радиосигналами и внешними параметрами задачи оптимизации (аналогично п. 1.7.1) вычисляется приближение КА (8 С). На втором этапе производится сравнение значений целевой функции при 8 С с достигнутым на предыдущей (у — 1) итерации (т.е. при 8(у — 1)); аргумент (КА) целевой функции с меньшим значением принимается принадлежащим области решений. Затем оптимизация выполняется квазиньютоновским методом по критерию минимума целевой функции (1.29), а в качестве начальных условий выбирался КА известного сигнала (для случая четы-рехпозиционного сигнала - КА для рРБК-сигнала).
Многокритериальный синтез структуры радиосигнала с прямым расширением спектра целесообразно осуществлять на основе процедуры многокритериального синтеза ансамбля КП, в котором для рационального использования ресурсов радиоканала применялись критерии качества, отвечающие за пропускную способность и минимизацию действия как помех, так и АБГШ, а также косвенно обеспечивающие минимизацию перепутывания информационного символа при погрешностях тактовой синхронизации. Процедура многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов на основе определения ансамбля КП аналогична приведенной в п. 2.2, а в качестве алгоритма оптимизации для решения данной задачи можно использовать метод МГА+ПС по критерию минимума целе-
вой функции (2.7).
В условиях действия ПП целесообразно рассмотреть различные способы увеличения помехоустойчивости за счет как совместного, так и изолированного многокритериального синтеза структуры и/или набора элементарных импульсов для радиосигналов с прямым расширением спектра. Реализация данных способов целесообразна в виде следующих процедур:
- многокритериальный синтез сигнала за счет определения ансамбля кодовых последовательностей;
- многокритериальный синтез сигнала за счет определения только набора огибающих элементарных импульсов, или же совместно с многокритериальным синтезом ансамбля кодовых последовательностей;
- многокритериальный синтез сигнала за счет определения только набора огибающих элементарных импульсов (при котором формировался более узкий провал в СПМ сигнала для снижения внеполосного излучения), или же совместно с многокритериальным синтезом ансамбля кодовых последовательностей (формировались 2 провала в СПМ сигнала, дополняющие узкий провал до охвата частот, на которые воздействует ПП).
Последняя группа процедур реализует подход, который заключается в том, что выбор наиболее эффективного в данном случае способа увеличения помехоустойчивости ИСПИ с помощью многокритериального синтеза радиосигналов целесообразен в зависимости от параметров каждой конкретной части сложной по-меховой обстановки (в данном разделе - части мешающего фактора в виде ПП). При этом такой выбор можно производить с помощью выражения (3.1), заранее представив ПП в виде набора узкополосных помех, находящихся вплотную друг к другу.
Рассмотрение широкого набора процедур многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с прямым расширением спектра целесообразно
из-за сложности решаемой задачи (адаптации к действию ПП), а также из-за необходимости учета других важных показателей качества ИСПИ: внеполосного излучения, энергоэффективности, а также корреляционных свойств сигналов. Анализ различных процедур позволяет осуществить гибкий многокритериальный выбор стратегии адаптации к сложной помеховой обстановке (в виде ПП).
Рассматриваемые процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов с расширением спектра при адаптации ИСПИ к действию ПП различаются объектами синтеза (структура и/или огибающая сигнала) и шириной спектра источника помех (части спектра ПП), к которому осуществляется адаптация ИСПИ при помощи текущего синтеза радиосигналов. Таким образом, процедуры многокритериального синтеза многопозиционных радиосигналов включают в себя следующие обобщенные этапы:
а) При условии формирования общего провала в СПМ синтезированного радиосигнала за счет сочетания нескольких узких провалов (полученных при синтезе как структуры, так и огибающей сигнала) среди действующих источников помех (частей спектра ПП) в данный момент времени производится определение помеховой составляющей, оказывающей наиболее негативное влияние на ИСПИ по совокупности выше обозначенных факторов (см. выражение (3.1)).
б) Для определенной на этапе а) помеховой составляющей (или же если этап а) не выполняется, а многокритериальный синтез огибающей сигнала предусмотрен текущей процедурой для ПП в целом) осуществляется адаптация СПИ с помощью многокритериального синтеза набора элементарных импульсов (см. п. 1.4). С учетом соответствующих весовых коэффициентов с1 и ширины спектра
рассматриваемого источника помех формируется целевая функция, согласно выражению (1.29), а при помощи квазиньютоновского метода оптимизации вычисляется точка приближения к экстремуму.
в) После этого к оставшимся источникам мешающих факторов (частям
спектра ПП) из состава сложной помеховой обстановки (или же к ПП в целом, в зависимости от текущей процедуры) целесообразно производить адаптацию ИС-ПИ за счет многокритериального синтеза ансамбля КП. Для этого по полученной СПМ помехового воздействия определяется эталонная СПМ Оор1 (/) и формируется целевая функция согласно выражению (2.7) при учете весовых коэффициентов а{ (соответствуют весовым коэффициентам с{ в выражении (2.7), переобозначение введено для избегания путаницы между коэффициентами для разных способов многокритериального синтеза радиосигналов) и ширины спектра рассматриваемого источника помех. При помощи метода оптимизации МГА определяется предполагаемая область решений, а методом ПС вычисляется точка приближения к экстремуму.
3.3.2 Анализ реализуемых показателей качества при адаптации радиосистем передачи информации к действию полосовых помех с помощью многокритериального синтеза сигналов с прямым расширением спектра
Представляет интерес проведение имитационного моделирования процедуры многокритериального синтеза радиосигналов в условиях действия ПП при помощи как совместного, так и отдельного определения набора огибающих элементарных импульсов и ансамбля расширяющих КП. В качестве мешающих факторов целесообразно рассмотреть ПП с шириной спектра (ЛГ) составляющей 40 % и 20 % относительно СПМ полезного радиосигнала, так как данные значения Л являются характерными для ПП, оказывающих разное действие на ИСПИ. При этом средняя частота ПП равняется несущей частоте сигнала, а реализации ПП были получены пропусканием АБГШ через фильтр Баттерворта 6-го порядка. На вход модели приемной части ИСПИ поступала аддитивная смесь, состоящая из
полезного радиосигнала, соответствующей полосовой помехи и АБГШ (источники АБГШ для реализации помех и шума независимы). Детектирование из принятой смеси информационной составляющей сигнала осуществлялось при помощи модели схемы, построенной на основе критерия максимума отношения правдоподобия. В качестве характеристики минимизации действия мешающих факторов рассматривалось значение порога помехоустойчивости g, т.е. отношения Еь / Ы0,
при котором достигается вероятность битовой ошибки Ро = 10—3 (без учета влияния ошибок систем синхронизации и помехоустойчивого кодирования). Для каждого значения порога помехоустойчивости накапливалось не менее 100 ошибочных бит, кроме того, статистика набирается по 100 реализациям помеховой обстановки.
На рисунке 3.5 приведены зависимости порога помехоустойчивости от отношения сигнал-помеха q для синтезированных и известного радиосигналов с прямым расширением спектра при действии ПП с = 40 % относительно ширины СПМ полезного сигнала. Здесь синтезированные радиосигналы были получены при помощи различных процедур:
- «Синтезир. сигнал (КП МК)» - многокритериальный синтез сигнала за счет определения ансамбля кодовых последовательностей;
- «Синтезир. сигнал (КП 2 кр.)» - синтез сигнала за счет определения ансамбля кодовых последовательностей, учитывающий только критерии максимума пропускной способности за счет ослабления действия ПП (о = 0,95) и максимума помехоустойчивости при действии АБГШ (а2 = 0,05), приведен для выявления
предельных значений показателя качества помехоустойчивости для синтезированных сигналов;
- «Синтезир. сигнал (КА мод.)» - многокритериальный синтез сигнала за счет определения только набора огибающих элементарных импульсов (при котором формировался более узкий провал в СПМ сигнала);
- «Синтезир. сигнал (КА+КП мод.)» - многокритериальный синтез сигнала за счет определения набора огибающих элементарных импульсов (при котором формировался более узкий провал в СПМ сигнала) и ансамбля кодовых последовательностей (формировались 2 провала в СПМ сигнала, дополняющие узкий провал до охвата частот, на которые воздействует ПП);
- «Синтезир. сигнал (КА)» и «Синтезир. сигнал (КА+КП)» - многокритериальный синтез сигнала за счет определения соответственно только набора огибающих элементарных импульсов, или же совместно с этим и ансамбля кодовых последовательностей.
ДБ 16
14
12
10
8
\ * \ \\ - 1 \ • \ • 1 » » » * 1 1 • ■ ■ ■ ■ ОРЭК-сигнал с ОЭЗЭ ■Синтезир. сигнал (КП МК) Синтезир. сигнал (КП 2 кр.) ■Синтезир. сигнал (КА мод.) Синтезир. сигнал (КА+КП мод.) -Синтезир. сигнал (КА) ■Синтезир. сигнал (КА+КП)
1 л \ * \ • \ \ • » « ■ ■
1 •
•\ ____________________ » *. \ 1 * * \ • * < \ \
Г Л Л V \ * 1 Т 1 \\ \ \ * * * * » • * •
Л \ \ ч
^^ « .........
-25
-20
-15
-10
-5
0
д, дБ
Рисунок 3.5 — Зависимости порога помехоустойчивости от отношения сигнал-помеха при действии АБГШ и полосовой помехи (ширина спектра 40% относительно СПМ полезного сигнала)
В качестве известного радиосигнала рассматривался рРБК-сигнал с прямым расширением спектра (ВЗББ), у которого для уменьшения внеполосного из-
лучения форма элементарного импульса имела следующий вид: р2(0 = Бт20* / Т5), 0 < г < Т8.
Кроме того, для определения реализованных характеристик синтезированных радиосигналов в таблице 3.4 приведены относительные выигрыши по соответствующим критериям качества в сравнении с рРБК-сигналом с прямым расширением спектра ансамблем дополненных М-последовательностей.
Таблица 3.4 — Сравнительные характеристики синтезированных радиосигналов при действии АБГШ и ПП с шириной спектра 40 % относительно СПМ полезного сигнала
Выигрыш по критерию качества
g8, дБ Сб0, % П, % V, % Я, %
Синтез сигнала (КП МК) 1 0 0 -43 -55
Синтез сигнала (КП 2 кр.) 3 0 0 114 -71
Синтез сигнала (КА мод.) 10 68 0 0 0
Синтез сигнала (КА+КП мод.) 10,5 68 0 19 -2
Синтез сигнала (КА) 11,5 41 -6 0 0
Синтез сигнала (КА+КП) 13 41 -6 -43 -55
Здесь g8 - выигрыш по отношению сигнал-помеха при значении порога помехоустойчивости равному 8 дБ; О60 - ширина СПМ сигнала по уровню -60
дБ; П - пик-фактор сигнала. Отрицательное значение величины, приведенной в таблице, соответствует проигрышу по рассматриваемому критерию качества.
Необходимо отметить, что подавляющий приоритет имел критерий качества минимизирующий действие ПП (при синтезе как набора огибающих элементарных импульсов КА, так и ансамбля расширяющих КП). Это, в свою очередь, привело к проигрышам по соответствующим антагонистическим показателям качества, однако в случае воздействия мощных ПП некоторое контролируемое снижение характеристик может быть допустимым. Кроме того, если эффективная от-
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.