ПРОТОТИПЫ, МОДЕЛИРУЮЩИЕ СИСТЕМУ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ПОМЕХ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫМ МЕТОДОМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396

ПРОТОТИПЫ, МОДЕЛИРУЮЩИЕ СИСТЕМУ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ПОМЕХ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫМ МЕТОДОМ

© 2018 И.В. Остроумов, М.А. Ромащенко, Т.Д. Ижокина Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: представлено устройство формирования и приёма полезного сигнала системы. Рассматривается прототип передачи дискретной информации с помощью фазоманипулированных сигналов, где демодулятор приемника основан на использовании согласованной фильтрации, наиболее противостоящей воздействию белых шумов. Код в прототипе сложного сигнала используется либо как периодически повторяющиеся М-последовательности с периодом до 1023 бит, либо изначально заданная информационная логическая закономерность, такая как код Баркера или хаотичный ряд двоичных символов количеством до 4096 бит. В качестве наглядного примера были представлены схемы демодулятора сигналов: ФМн-2, ФМн-4, СФМн-4, ММС. Рассматриваются синхронизация приемника и подробное описание его работы. Для решения задачи по определению защитного отношения сигнал/помеха был разработан прототип, моделирующий воздействие помех на линию передачи дискретной информации фазоманипулированными сигналами. Основной функцией прототипа является раздельное рассмотрение прохождения различных полезных и мешающих сигналов по приёмному тракту, а также построение гистограмм. Во время разработки модели был расчёт на дальнейшее внесение новых элементов и процедур зарождения сигналов по мере исследования новых непреднамеренных радиопомех (НРП). На основе значения результирующего сигнала на выходе согласованного фильтра в отрезке времени в модели образовываются гистограммы ответа на полезный сигнал и НРП. Разработанная модель позволяет определить влияние параметров НРП на вероятность сбоя

Ключевые слова: фазоманипулированный сигнал, дискретная информация, прототип, модулятор сигнала

Введение

На основе модели формирования фазоманипулированных (ФМ) сигналов в радиотранслирующем устройстве был разработан прототип системы передачи дискретной информации [1], использующей ФМ сигналы, включая сложные, в разных вариациях огибающей элементарной посылки. Прототип определён проверить влияние модуляционных параметров полезного сигнала, характеристик полосовых фильтров на выходе модуляторов и фильтров приемника на энергетические потери при передаче информации из-за ухудшений, вызванных фильтрацией. Мониторинг изменений тех или иных параметров рассчитывается анализом преобразования качества работоспособности радиоэлектронной системы. Показатель изменения качества деятельности системы при передаче конечной информации может рассматриваться как изменение допустимости ошибки (неверного приема дискретного сигнала).

Прототип передачи дискретной информации

На рис. 1 графически выведена моделируемая система, на схеме которой

находятся передатчик ФМ сигнала и приёмное устройство.

Устройство формирования полезного сигнала системы

Приемное устройство

■

(Генератор ¡кода

Полосовой фильтр

Полосовой ^ фильтр

Соглас. фильтр

Решающее ^ устройство

Тактовый синхронизатор

Рис. 1. Схема моделируемой системы

С точки зрения влияния сигнала будут рассматриваться наиболее важные элементы устройств: полосовые фильтры, демодулятор приёмника и усилитель передатчика. Фазовый синхронизатор и преобразователь частоты не учитываются на данной выше схеме, с расчётом на их безупречную работу. Помимо этого, не рассматривается возникновение сигнальных искажений на трассе распространения.

Работа РЭС в неучтённых условиях радиоискажений рассматривается для решения задач ЭМС, где наиболее верно представлены влияния, совокупности которых - это влияние белого шума (помехи, ввергающие к наибольшей потере информационной части

сигнала). Демодулятор приёмника с помощью ФМ сигналов в разработанной модели передачи дискретной информации

сформирован на использовании согласованной фильтрации как механизме, оперативно противостоящем влиянию белого шума.

При помощи ФМ сигналов, как простых, так и сложных, передается информация в системе. В прототипе сложного сигнала в качестве кода используются или периодически повторяющиеся М-последовательности с периодом до 1023 бит, или предварительно указанная информационная последовательность (например, коды Баркера), или последовательность случайных двоичных символов длиной до 4096 бит. Количество информационных символов определяется обязательной статистической истинностью результата и лимитировано приемлемым временем расчёта. М-последовательность задается моделированием регистра-генератора и сопутствующим, точно определяющим ее генерирующим кодом.

На рис. 2 схематически изображён демодулятор сигналов ФМн-2, включающий согласованный фильтр, тактовый

синхронизатор и решающее устройство.

I

Умножитель

СФ РУ

р

ТС

Рис. 2. Схема демодулятора сигналов ФМн-2: СФ - согласованный фильтр приема информационной посылки сигнала; РУ - решающее устройство; ТС - генератор тактовых импульсов (тактовый синхронизатор)

При обработке сигналов ФМн-4, СФМн-4, ММС заранее выделяется синфазная и квадратурная части сигнала, и уже выделенные составляющие обрабатываются как независимые сигналы ФМн-2. На рис. 3 приведена схема демодулятора для таких приёмников.

Умножитель РУ

1Ф

Т/2

Распределитель

символов -1-

Умножитель РУ

I

Рис. 3. Схема демодулятора сигналов ФМн-4, СФМн-4,

ММС: Г/2 - задержка на половину длительности элементарной посылки при приеме сигналов СФМн-4 и ММС

Фильтры с прямоугольной формой амплитудно-частотной характеристики (далее АЧХ), а также фильтры Баттерворта несхожих порядков с компенсацией или без компенсации нелинейности группового времени запаздывания, используются в качестве передатчика и приемника в виде полосовых фильтров. В соответствии с определением согласованного фильтра, АЧХ этих фильтров в демодуляторах приемника формируется как комплексно сопряженная спектральная характеристика одной информационной посылки полезного сигнала.

Решающее устройство в тактовые моменты времени определяет знак и уровень сигнала. Если уровень сигнала превышает опорный уровень, то в зависимости от знака принимается тот или иной символ. В противном случае фиксируется «потеря» символа.

Тактовая синхронизация приемника происходит перед началом передачи информации путём моделирования

прохождения плотного импульса в виде полезного сигнала. На выходе определяется момент времени, в который получаемый сигнал имеет максимальную амплитуду. Момент снятия значения первого информационного символа определяется полученной задержкой по времени. Последующие отсчитываются от первого путём прибавления временных интервалов, равных длительности информационной посылки полезного сигнала.

Число сбоев символов определяется сравнением «передаваемой» и «принятой» информационной последовательности с учетом неправильно принятых и «потерянных» символов.

На основе результатов снятия значения результирующего сигнала на выходе

согласованного фильтра в отрезки времени, определяемые процедурой тактовой синхронизации, создаётся гистограмма откликов, позволяющая исследовать влияние изменения параметров элементов передающих и приемных устройств, например, ширины полосы пропускания и коэффициента прямоугольности фильтра основной селекции приемника, на изменение вероятности неправильного приема символа.

Модель предполагает идеальную работу преобразователя частоты, системы разделения квадратурного и синфазного каналов, а также идеальную частотную и фазовую синхронизацию передатчика и приемника канала связи.

Прототип, моделирующий помехи

Прототип, моделирующий помеховые воздействия на систему передачи дискретной информации ФМ сигналами, был разработан для определения ЗО.

Основные черты прототипа выявляются раздельным рассмотрением прохождения различных сигналов (полезных и мешающих) по приёмному тракту, а также построение гистограмм с указанием соответствующих уровней отклика и последующей сверткой полученных табличных графиков для нахождения вероятности сбоя за счет воздействия помех.

Представленная ранее схема моделируемой системы была дополнена моделью передатчика - источника НРП, построенной на основе модели происхождения ФМ-сигналов в радиопередатчике, увеличенной возможностью создания сигналов разных типов.

Во время разработки модели был расчёт на дальнейшее внесение новых элементов и процедур зарождения сигналов по мере исследования новых НРП.

На данном этапе в модели программно реализованы функции, воспроизводящие следующие виды модуляции помех: бинарную и четырехпозиционную фазовую манипуляцию (ФМн-2, ФМн-4, СФМн-4), ММС, а также двухпозиционную частотную манипуляцию (ЧМн-2), ЛЧМ, модуляцию по частоте гармоническим колебанием и пилообразным напряжением, а также ещё импульсную, и модуляцию, имитирующую генератор «белого шума».

Рис. 4. Схема моделируемой системы передачи дискретной информации ФМ сигналами с учетом воздействия НРП

Сигнальный модулятор ЧМн-2 создаёт частотно-манипулированный сигнал с мгновенным переключением частот между значениями Юо -Б и Юо +А где Юо -центральная частота сигнала, а Б - девиация частоты. На рис. 5 изображена амплитуда такого сигнала на временной оси.

Рис. 5. Сигнал с бинарной частотной манипуляцией

Значение выходного напряжения в линейно частотном модуляторе в пределах длительности Т может изменяться по следующему тождеству:

2» Ь - ТЛ )1 л

U (t) = U 1

( ( 2nt

fo + ■

T

+ Vo

(1)

для вещественного представления сигнала и для комплексного.

y(t) = Ue

2Mt\ fo+-

2D

(t)!

I+Vo

(2)

Здесь же f0 - это несущая частота сигнала; D - значение девиации частоты сигнала;

Vo - это начальная фаза сигнала.

Помимо всего прочего, модель модулятора формирует сигналы,

модулированные по частоте гармоническим колебанием. Формы представления таких сигналов имеют следующий вид: Вещественная: U(t) = U cOS(2n(fo +D cOs(2^fmt + Vom )) + Vo ) Комплексная:

s(t) = Ue<2nt (fo+D cOs(2 ft+Vom ))+Vo)

T

где ^ - частота модулирующего колебания сигнала;

(Р0т - начальная фаза модулирующего колебания сигнала.

Произведённая модель модулятора непреднамеренных помех предусматривает возможность формирования импульсных сигналов с заданной скважностью и с внутри-импульсной модуляцией любым из доступных видов сигналов.

Следующим образом создаётся генератор «Белого шума»: для непрерывного немодули-рованного сигнала в каждый определённый момент времени присваивается случайное значение фазы с помощью генератора случайных чисел и этот сигнал пропускается через выходной фильтр передатчика помехи.

В модели формирования помеховых воздействий для систем передачи дискретной информации ФМ сигналами образовываются гистограммы ответа на полезный сигнал и НРП [3], на основе которых предполагается исполнение необходимых исследований. Гистограмма ответов на полезный сигнал системы возникает так же, как и в модели, представленной ранее, на основе результатов получения значения результирующего сигнала на выходе согласованного фильтра в отрезки времени, определяемые процедурой тактовой синхронизации. Гистограмма откликов на НРП формируется с учетом несогласованности полезного и мешающего сигналов по времени и фазе. То есть выявление значения отклика на входе решающего устройства осуществляется для каждого дискретного отсчета времени и для 100 равномерно распределенных значений начальной фазы мешающего сигнала. В предположении, что превышение уровня помехи над уровнем сигнала в половине случаев ведет к неверному приему символа, свертка полученных гистограмм даёт возможность определить вероятность появления сбоя из-за воздействия НРП [4].

Выводы

Таким образом, в данной статье были разработаны две модели. Первый прототип, имитирующий систему передачи дискретной информации ФМ сигналами, позволяет оценить изменение вероятности сбоя, то есть изменение качества функционирования системы за счет искажающих воздействий полосовых фильтров передатчика и приемника. При этом в качестве полезных сигналов системы рассматриваются простые и сложные ФМ сигналы двух и четырехпозиционные с различными формами огибающей элементарной посылки, а также сигналы ММС. Второй прототип, имитирующий помехи, воздействующие на систему передачи дискретной информации фазомани-пулированными сигналами, позволяет определить влияние параметров НРП на вероятность сбоя.

Литература

1. Остроумов И.В. Разработка имитационных моделей систем передачи дискретной информации с использованием простых и сложных фазо- и частотно-манипулированных сигналов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Т. 10. № 6. С. 74-76.

2. Макаров О.Ю., Ромащенко М.А. Основные принципы применения программных средств при решении задач обеспечения ЭМС и помехоустойчивости // Радиотехника. 2013. № 3. С. 98-102.

3. Марков Ю.В. Проектирование устройств приема и обработки сигналов: учеб.-метод. пособие. Екатеринбург: Уральский федеральный университет, 2015. С. 39, 47-54.

4. Агеев Р.В., Хоменков Ю.Н. Способ синхронизации М-последовательности. СПб.: Центральный научно-исследовательский институт "Гранит", 1994. С. 3-5.

Поступила 26.03.2018; принята к публикации 11.05.2018 Информация об авторах

Остроумов Иван Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: vanik07@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2796-2886

Ромащенко Михаил Александрович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14) e-mail: kipr@vorstu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5629-6056

Ижокина Татьяна Дмитриевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: mrx884@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7905-3257

PROTOTYPES MODELING A SYSTEM OF DISCRETE INFORMATION TRANSMISSION AND INTERFERENCE BY PHASE-COMPENSATING METHOD

I.V. Ostroumov, M.A. Romashchenko, T.D. Izhokina Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: this article presents the device of formation and reception of a useful signal of a system. The prototype of transmission of discrete information by means of phase-manipulated signals is considered, where the receiver demodulator is based on the use of consistent filtering, which is most opposed to the effects of white noises. The code in the prototype of a complex signal is used either periodically repeating M-sequences with a period of up to 1023 bits, or initially given an information logical regularity, such as Barker code or a chaotic series of binary characters with a number of up to 4096 bits. In the illustrative example, diagrams of demodulator signals were presented: PM-2, PM-4, SPM-4, MMS. The synchronization of the receiver and a detailed description of its operation are considered. To solve the task of determining the protective ratio of signal/noise, a prototype was developed, simulating the effect of interference on the transmission line of discrete information by phase-manipulated signals. The main function of the prototype is the separate consideration of the passage of various useful and interfering signals along the receiving path, and also the construction of histograms. During the development of the model, a calculation was made for the further introduction of new elements and procedures for the generation of signals as new unintentional radio interference was investigated. Based on the value of the resulting signal at the output of the matched filter in the time interval, histograms of the response to the useful signal and unintentional radio interference were formed in the model. The developed model allows to determine the influence of the parameters of the URI on the probability of a failure

Key words: phase-shift keyed signal, discrete information, prototype, signal modulator

References

1. Ostroumov I.V. "Development of simulation models of systems of discrete information transmission with the use of simple and complex phase - and frequency - manipulated signals", Ihe Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2014, vol. 10, no. 6, pp. 74-76.

2. Makarov O.Yu., Romashchenko M.A. "Basic principles of the use of software in solving problems of ensuring EMC and immunity", Radiotekhnika, 2013, no. 3, pp. 98-102.

3. Markov Yu.V. "Designing devices for receiving and processing signals. Manual" ("Proektirovanie ustroystv priyema i obrabotki signalov: ucheb.-metodich. posobie") Ekaterinburg, UFU, 2015, pp. 39, 47-54.

4. Ageev R.V., Khomenkov Yu.N. "Method of synchronization M-sequence" ("Sposob sinkhronizatsii M-posledovatel'nosti"), Saint Petersburg, CSRI "Granit", 1994, pp. 3-5.

Submitted 26.03.2018; revised 11.05.2018 Information about the authors

Ivan V. Ostroumov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: vanik07@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2796-2886

Mikhail A. Romashchenko, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kipr@vorstu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5629-6056

Tat'yana D. Izhokina, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: mrx884@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7905-3257