CC BY
11
УДК 621.396
РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ МОДЕЛИ, ИМИТИРУЮЩЕЙ ПОМЕХИ ПРИЕМА ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
А.Л. Неклюдов, А.А. Пирогов, Н.В. Ципина, И.С. Бобылкин
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: в современном мире при приеме сигналов, несущих полезную информацию, в совокупности с главным сигналом одновременно фиксируются помехи самого разнообразного происхождения. К таким относят искажения полезных сигналов при влиянии различных возмущающих воздействий. Выделение полезной информационной составляющей из общего спектра детектированных сигналов, а также максимально эффективное подавление шумов и помех в рассматриваемом сигнале при сохранении его целостности являются одними из основных задач первичной обработки принимаемых сигналов. Представлены разработка и анализ модели, имитирующей помехи приема фазома-нипулированных (ФМС) сигналов, необходимых для расчета электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств (ЭМС РЭС) и позволяющих оценить вероятность сбоя в тракте приема передачи информации при влиянии на него простых и сложных помех, двух- и четырехпозиционных фазоманипулированных сигналов с различными формами элементарной посылки, а также других сигналов с учетом искажающего воздействия. Рассмотрена структурная схема модели системы связи с имитацией помех приема ФМС, представлены графики сигналов с бинарной частотной и линейно-частотной манипуляцией. В разработанной модели манипулятора помех предусматривается возможность формирования импульсов с заданной скважностью и внутриимпульсной манипуляцией любым из доступных видов сигналов, а также может задаваться различный фронт импульса или быть сглаженным синусоидальным сигналом
Ключевые слова: электромагнитная совместимость РЭС, моделирование помех, фазоманипулированные сигналы, вероятность сбоя РЭА
Введение
История использования фазоманипу-лированных сигналов насчитывает не одно десятилетие. Высокая эффективность, особенно для систем приема и передачи информации, которые составляют сейчас абсолютное большинство разрабатываемых и вводимых в эксплуатацию РЭС, способствует широкому распространению таких сигналов, а также развитию технологической базы их использования. Для демонстрации распространенности сигналов с фазовой манипуляцией достаточно упомянуть о том, что они применяются в системах радиорелейной, космической и сотовой связи, а также в сетях беспроводного доступа. В частности, бинарная и четырехпозиционная фазовые манипуляции (BPSK и QPSK), а также прямое расширение спектра (DSS) и применение сверточных кодов (т.е. согласованная фильтрация) предусматриваются спецификациями стандартов IEEE 802.11, которые реализуются в том числе и в РЭС военного назначения.
Существует множество подходов к исследованию проблематики ЭМС РЭС, наряду с ними широкое применение нашли методиче-
ские подходы, основанные на разработке имитационных моделей процессов формирования и обработки сигналов в радиоэлектронных устройствах [1].
Обобщенная модель имитации воздействия помех
Для решения проблемы электромагнитной совместимости РЭА была разработана обобщенная модель, имитирующая воздействие помех на прием фазоманипулированного сигнала с раздельным рассмотрением прохождения по приемному тракту полезного и мешающего сигналов, а также с построением гистограмм уровней откликов и последующей их сверткой для определения вероятности сбоя за счет принимаемых помех. На рис. 1 представлена структурная схема моделируемой системы связи с учетом воздействия помех приема сигналов.
© Неклюдов А.Л., Пирогов А.А., Ципина Н.В., Бобылкин И.С., 2018
Рис. 1. Структурная схема модели системы связи с имитацией помех приема ФМС
В данной модели реализованы процедуры, программно имитирующие следующие виды манипуляции помех: четырехпозиционную фазовую манипуляцию (ФМн-2, ФМн-4, СФМн-4), манипуляцию с минимальным сдвигом, бинарную манипуляцию, линейно-частотную манипуляцию, двухпозиционную частотную манипуляцию (ЧМн-2), частотную манипуляцию гармоническим колебанием и пилообразным напряжением, манипуляцию, имитирующую генератор шума, а также импульсную манипуляцию.
Разработанная модель манипулятора помех предусматривает возможность формировать импульсы сигналов с заданной скважностью и с внутриимпульсной манипуляцией любым из доступных видов сигналов. Фронт импульса может задаваться различным или быть сглажен синусоидой, из этого следуют следующие соотношения (1-2):
для переднего фронта импульса:
F (г ) = 0.5 • и
(
1 - cos
'фр
для заднего фронта импульса:
(
F (г ) = 0.5 • и
(
1 - сс«
ти - г
\\
(1)
(2)
при I - длительность импульса; Тфр - заданная длительность фронта импульса.
На рис. 2 представлен вид импульса линейно-частотной манипуляции (ЛЧМ-сигнала) с заданной длительностью фронта тф)р , равной
0,1 от общей длительности импульса I.
ш
Рис. 2. Импульс линейно-частотной манипуляции сигнала
При сигналах двухпозиционной частотной манипуляции (ЧМн-2) генерируется частотно-манипулированный сигнал с постоянной фазой и переключением частот между: -Б и
+Б, где &>о - несущая (центральная) частота сигнала; Б - девиация частоты. На рис. 3 представлен спектр такого сигнала по оси времени.
Рис. 3. Сигнал с бинарной частотной манипуляцией
При манипуляции линейно-частотных сигналов величина выходного напряжения, в пределах длительности импульса Т, изменяется по соотношениям (3-4) для вещественного представления сигнала и для комплексного соответственно.
( (
и (г) =и cos
2л
/о +
ж(г)
л л
) =ие
2л гI /о+-
2 тг-1
л
(3)
(4)
где /о - несущая частота сигнала;
Б - значение девиации частоты сигнала;
<Ро - начальная фаза сигнала.
Кроме импульсных линейно-частотно ма-нипулированных сигналов, заданных соотношениями (3-4), также производится модуляция непрерывных сигналов, манипулированных по частоте пилообразным напряжением со свободным периодом, изменяющимся в пределах, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Графическое изменение частоты сигнала / манипулируемого по частоте пилообразным напряжением со случайным периодом
Также модель манипулятора способна
+
т
-1
т
г
п
п
т
обрабатывать и формировать сигналы, манипулированные по частоте гармоническим колебанием, которые имеют вид, представленный соотношениями (5-6) [2].
Вещественная форма:
и^) = исо<2я(/о + Dсо<2я/т + Щт)) + ср0) (5)
Комплексная форма:
s(() =ие~'(2М(f0+D с0й (2^т+?0т ) (6)
при ^ - частота манипулирующего колебания;
срот - начальная фаза манипулирующего
колебания.
Моделирование генератора «белого шума» производится следующим образом: для постоянного неманипулированного сигнала в каждый дискрет времени задается вероятностное значение фазы в генераторе случайных чисел, и этот сигнал пропускается через выходной фильтр передатчика помехи [3].
В модели формирования помеховых воздействий осуществляется формирование гистограмм откликов на полезный сигнал и на сигнал непреднамеренных радиопомех, на основе которых осуществляется проведение необходимых исследований. Гистограмма откликов на полезный сигнал системы формируется на основе результатов снятия значения результирующего сигнала на выходе согласованного фильтра в моменты времени, определяемые процедурой тактовой синхронизации. Гистограмма откликов на непреднамеренные радиопомехи формируется с учетом несогласованности полезного и мешающего сигналов по времени и фазе [4]. Таким образом, снятие значения отклика на входе решающего устройства осуществляется для каждого дискретного отсчета времени и для 100 равномерно распределенных значений начальной фазы мешающего сигнала. Если предположить, что превышение уровня помехи над уровнем сигнала в большинстве случаев ведет к неправильному приему символа, то свертка полученных ги-
стограмм позволяет с большой долей вероятности оценить возможность возникновения сбоя из-за воздействия непреднамеренных радиопомех.
При моделировании предполагалось, что по мере дальнейших исследований новых типов НРП их модели будут дополняться соответствующими элементами и процедурами формирования сигналов.
Заключение
В результате разработанная модель, имитирующая помеховые воздействия на системы связи фазоманипулированными сигналами, позволяет оценить влияние параметров НРП на вероятность сбоя РЭА и решать задачи организации обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и систем; моделировать процесс формирования простых и сложным помех, двух- и четырехпо-зиционных фазоманипулированных сигналов с различными формами элементарной посылки, а также других сигналов с учетом искажающего воздействия.
Модель позволяет оценивать изменение сигнала за счет искажающих воздействий полосовых фильтров передатчика и приемника в системе связи, в основе которой лежат фазо-манипулированные сигналы.
Литература
1. Кремер И.Я., Владимиров В. И., Карпухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. М.: Сов. Радио, 1972. С. 72-76.
2. Ромащенко М.А. Основные задачи анализа обеспечения ЭМС в конструкциях РЭС и принципы его выполнения // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 4. С. 106-109.
3. Макаров О.Ю. Основные принципы применения программных средств при решении задач обеспечения ЭМС и помехоустойчивости: учеб.-метод. пособие. Воронеж: ВГТУ, 2015. С. 39, 50-48.
4. Марков Ю.В. Проектирование устройств приема и обработки сигналов: учеб.-метод. пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал, 2015. С. 39-40.
Поступила 03.04.2018; принята к публикации 20.07.2018 Информация об авторах
Неклюдов Андрей Львович - бакалавр, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: an.necludow@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6007-793X Пирогов Александр Александрович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: Pirogov.alx@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2796-2886
Ципина Наталья Викторовна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kipr@vorstu.ru
Бобылкин Игорь Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kipr@vorstu.ru
DEVELOPMENT AND ANALYSIS OF THE MODEL IMITATING INTERFERENCE OF RECEPTION OF PHASE-ANIMATED SIGNALS TO PROVIDE ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF RADIO ELECTRONIC DEVICES
A.L. Neklyudov, A.A. Pirogov, N.V. Tsipina, I.S. Bobylkin
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: in the modern world, when receiving signals that carry useful information, in conjunction with the main signal simultaneously, interference of the most diverse origin is recorded. These include distortions of useful signals under the influence of various disturbing influences. The allocation of a useful information component from the general spectrum of detected signals, as well as the most effective suppression of noise and interference in the signal under consideration while maintaining its integrity, is one of the primary tasks of primary processing of received signals. The article presents the development and analysis of the simulation of the imitation interference of receiving phase-manipulated signals (PMS) necessary for calculating the EMC of REM and allowing one to estimate the probability of a failure in the transmission path of the information transfer, when simple and complex interference affects it, two and four-position phase-manipulated signals with various elementary forms sending, as well as other signals, taking into account the distorting effect. The structural scheme of the communication system model with imitation of interference of the PMS reception is considered, in addition, the graphs of the signals with binary frequency and linear frequency manipulation are presented. In the developed model of the manipulator of interferences it is possible to generate pulses with a predetermined duty cycle and intrapulse manipulation by any of the available kinds of signals, and also a different pulse front or a smoothed sinusoidal signal can be set
Key words: electromagnetic compatibility of REM, interference simulation, phase-manipulated signals, probability of failure of RED
References
1. Kremer I.Ya., Vladimirov V.I., Karpukhin V.I. "Modulating (multiplicative) interference and reception of radio signals" ("Moduliruyushchie (mul'tiplikativnye) pomekhi i priyem radiosignalov"), Moscow, Sov. Radio, 1972, pp. 72-76
2. Romashchenko M.A. "The main tasks of the analysis of the provision of EMC in the designs of REM and the principles of its implementation", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2011, vol. 7, no. 4, pp. 106-109.
3. Makarov O.Yu. "Basic principles of the application of software for solving problems of EMC and interference immunity: manual" ("Osnovnye printsipy primeneniya programmnykh sredstv pri reshenii zadach obespecheniya EMS i pomekhoustoychivosti: ucheb.-metod. posobie"), Voronezh, VSTU, 2013, no. 3, pp. 98-102.
4. Markov Yu.V. "Designing of devices for receiving and processing signals: manual" ("Proektirovanie ustroystv priyema i obrabotki signalov: ucheb.-metod. posobie"), Ekaterinburg, Ural, 2015, pp. 39-40.
Submitted 03.04.2018; revised 20.07.2018
Information about the authors
Andrey L. Neklyudov, Bachelor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: an.necludow@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000- 0001-6007-793X
Aleksandr A. Pirogov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: Pirogov.alx@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0003 -2796-2886 Natalia V. Tsipina, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kipr@vorstu.ru
Igor' S. Bobylkin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kipr@vorstu.ru
