CC BY
7
УДК 621.396
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ОТНОШЕНИЙ В УСТРОЙСТВАХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ РАЗНЫЕ ПРИНЦИПЫ
МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА
Д.В. Васильченко, А.А. Пирогов, И.В. Остроумов, А.Б. Антиликаторов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: в настоящее время бурно развивается беспроводная электроника. В частности, носимые гаджеты, которые для связи с разнообразными устройствами не так давно пользовались проводными системами, повсеместно внедряют в качестве связующих элементов передачи информации беспроводные каналы связи. К ним относятся разнообразные периферийные устройства, такие как наушники, умные часы и т.д. Все эти каналы работают на определенных частотах, которые могут быть заглушены воздействием различного рода электромагнитных помех. Данные помехи негативно влияют не только на прием сигнала, но и на сами устройства приема и передачи, а также на все электронные устройства, находящиеся в зоне действия помех. В статье показана методика определения соотношения сигнал/шум и вычисления защитного отношения, с помощью которой можно определять защитное отношение по высокочастотному тракту и по промежуточной частоте без проведения испытаний, требующих больших временных и материальных затрат. Данная методика подходит к использованию в радиоэлектронных средствах, использующих сигналы с фазовой, а также частотной модуляцией, в отношении радиопомех различных видов. К таким помехам относятся импульсные и непрерывные радиопомехи на основе фазоманипулированных сигналов, частотно-модулированных сигналов и сигналов, модулированных по частоте гармоническим или пилообразным напряжением
Ключевые слова: радиоэлектронные средства, манипуляция сигнала, системы беспроводной связи, соотношение сигнал/шум, защитное отношение
Введение
отнести высокочастотный тракт, а также тракт, работающий на промежуточной частоте.
В связи с увеличением общего количества электронных радиоустройств при
проектировании радиоэлектронных средств (РЭС) большое значение уделяется оптимальному соотношению сигнал/шум (помеха). Данное соотношение можно достичь путём защиты РЭС от воздействий всякого рода помех и внешних факторов. Защита РЭС связана с разработкой и организацией целого ряда мероприятий, направленных на обеспечение электромагнитной совместимости (далее ЭМС) РЭС. Принимая в расчёт тот факт, что в современных устройствах телеметрии и связи всё чаще применяют фазовую манипуляцию, как простой, так и сложной формы, а также упрощенные процессы деманипуляции и манипуляции сигналов. Была заработана методика расчёта соотношений сигнал/шум в устройствах, использующих фазовую манипуляцию с разнообразными формами огибающей элементарной посылки. Данная методика производит расчёты по основным составным частям, к таким можно
Снижение трудоёмкости расчётов ведет к сокращению необходимого для них времени, что, в свою очередь, положительно сказывается на сроках по определению соотношений сигнал/шум для помех, которые имеют случайные, изменяемые в определенные промежутки времени, характеристики. Это становится возможным за счёт накопления системой существующих результатов
Методика основывается на использовании свертки гистограмм уровней откликов системы, которые формируются моделью, с целью пошагового сдвига на мешающий и полезный сигналы. Это является отличительной особенностью методики, позволяющей проводить моделирование и определять соотношение сигнал/шум с заданной точностью. Плюсом методики также является отсутствие необходимости проведения сложных расчётов по моделированию прохождения радиопомех, использующих однотипный сигнал с различным уровнем мощности, фазы и смещения по времени относительно полезного сигнала.
Описание методики
© Васильченко Д.В., Пирогов А.А., Остроумов И.В., Антиликаторов А.Б., 2018
моделирования и составление на их основе статистических выводов. Методика принимает минимальный уровень сигнала по отношению к уровню помехи как искомое соотношение сигнал/шум при известных параметрах канала передачи информации полезного сигнала [1].
Рис. 1. Структурная схема методики
При такой реализации вероятность сбоя устройства под воздействием непрерывных радиопомех не превышает заданного значения. Общая структурная схема работы методики определения соотношения сигнал/шум представлена на рис. 1.
Схема состоит из 8 подсистем (блоков). Первый блок - блок подготовки к вычислениям и ожидания сигнала, в котором производится подстройка параметров обоих трактов (передающих и приёмных) под необходимые для получения результата значения сигнал/шум. В случае отсутствия начальной информации в качестве полосовых фильтров используются фильтры Баттерворта 2-го порядка.
В следующей подсистеме (поверка наличия гистограммы на входе) производится проверка наличия гистограмм помехи и сигнала, в случае, если обе гистограммы есть, система переходит к обработке и выводу результатов. Если же одна из двух либо обе гистограммы сразу отсутствуют, происходит выполнение следующего блока.
Блок, проверяющий принадлежность гистограммы к полезному сигналу или же помехе, производит выделение необходимого
критерия, делая вывод о необходимости производить дальнейшие действия.
В схеме системы, отвечающей за обработку гистограмм с полезным сигналом (поступила гистограмма полезного сигнала), присутствуют два блока. Первый, называемый блоком генерации фильтра, производит генерацию амплитудно-частотной
характеристики на входе манипулятора полезного сигнала, а также согласованного фильтра демодулятора и фильтра основной селекции приёмника. Далее происходит анализ сигнала и определение его к соответствующему тракту. Если сигнал относится к высокочастотному тракту, либо же к тракту промежуточной частоты, происходит коммутация двух соответствующих фильтров: фильтр на выходе манипулятора и фильтр, объединяющий фильтр основной селекции и согласованный фильтр приемника, или один -объединенный фильтр на выходе манипулятора и основной селекции приемника, второй -согласованный фильтр деманипулятора.
В четвертом блоке секции, относящейся к полезному сигналу, который называется блоком фильтрации полезного сигнала, происходит воспроизведение универсальной процедуры модулирования прохождения сигнала по каналу передачи информации. Здесь же происходит статистическая выборка параметров сигнала за определенные промежутки времени. К таким параметрам относится гистограмма откликов на полезный сигнал, а также вычисляемое среднее значение сигнала. При помощи быстрого преобразования Фурье определяется среднеквадратичное значение сигнала и на терминал выводится часть отклика на полезный сигнал на выходе согласованного фильтра деманипулятора.
Если на вход пришла помеха, то включаются следующие системы. Фильтр, генерируемый блоком генерации фильтра, схож с фильтром, применяемым в блоке работы с полезным сигналом. Единственное отличие его в том, что фильтр включается на входе помехи и после определении соотношения сигнал/шум по промежуточной частоте амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтра смещается на величину отстройки [2].
В заключительном блоке данной ветки происходят подобные блоку работы с полезным сигналом. Однако здесь гистограмма уровня отклика генерируется, принимая во внимание
несогласованность полезного сигнала и помехи по времени и фазе.
В конечном счёте, после отработки обеих систем, гистограмма переходит в заключительный блок, в котором происходит определение соотношения сигнал/шум для промежуточной и высокой частот. Впоследствии происходит вывод результатов в графиках полученных гистограмм.
Функционирование методики
Вычисление искомого соотношения сигнал/шум производится в соответствии с вышеуказанной последовательностью. На первом этапе вычисляются коэффициент необходимого изменения уровня помехи на основе свертки полученных гистограмм и поправка на разницу между
среднеквадратичным значением помехи и среднеквадратичным значением полезного сигнала, полученной в соответствующих блоках [3]. После чего происходит суммирования полученных логарифмических коэффициентов. Сложение выполняется в соответствии с соотношением 1.
Ясп = АРнс + КП
(1)
Далее происходит определение оценки вероятности превышения отклика помех над уровнем отклика на полезный сигнал на входе решающего устройства (рпр) по уже полученным сверткам гистограмм при текущем отношении сигнал/помеха по соотношению 2.
N
С Nn
рпр Е
г=1
Л
£с Е £
V з = У
(2)
где Ng - количество точек/столбцов
сформированных в одном масштабе
гистограмм откликов на полезный и мешающий
сигналы;
с . „
£ - значение 1-й точки гистограммы
откликов на полезный сигнал;
£ 3 - значение _)-й точки гистограммы
откликов на мешающий сигнал.
Оценка вероятности неправильного приёма сигнала из-за воздействия помехи
производится в случае, если вычисленное превышение ведет к сбою при несовпадении знаков отклика. Необходимое изменение уровня помехи для получения заданной вероятности сбоя рпр определяется путем смещения гистограмм относительно друг друга. Пока эта вероятность сбоя меньше заданного уровня, гистограмма помехи смещается на один шаг вправо (от нуля), что соответствует увеличению среднеквадратичного уровня помехи на 0.25 дБ. Затем начинается другой цикл: пока вероятность сбоя больше заданного уровня, гистограмма помехи смещается на один шаг влево (к нулю), что соответствует уменьшению среднеквадратичного уровня помехи на 0.25 дБ. В результате получаем с точностью до 0.25 дБ коэффициент Арнс ,
определяющий, на сколько требуется изменить отношение сигнал/помеха, полученное после моделирования прохождения сигналов, для достижения требуемой вероятности сбоя символа. Шаг 0.25 дБ накладывает соответствующее ограничение на точность результата определения защитного отношения (ЗО), однако это ограничение не является принципиальным и при наличии потребности в получении результата с большей точностью шаг дискретизации гистограмм может быть уменьшен.
На примере, указанном на рис. 2, показаны полученные с помощью разработанной программной реализации методики результаты определения соотношения сигнал/шум для приемника сигнала BPSK с использованием DSS, определяемого спецификациями стандарта 802.11. Данный тип сигналов довольно распространен и используется большим количеством РЭС для обеспечения беспроводной связи. Полученное значение минус 3 дБ существенно отличается от значений, сопоставляемых данных классов РЭС по Таблице защитных отношений [3], согласно которой для радиорелейных линий соотношения сигнал/шум с помехой аналогичной структуры составляет 24 дБ, для РЭС прямой радиосвязи - 18 дБ. Если же учесть, что кадр физического уровня стандарта 802.11 является отдельным импульсом с заданной формой переднего и заднего фронтов со скважностью близкой к 1, то значение соотношения сигнал/шум уменьшается на 10 дБ (до 14 и 8 дБ соответственно).
Заключение
Описанное методическое обеспечение позволяет решать задачи, связанные с организацией мер обеспечения
электромагнитной совместимости
радиоэлектронных средств различных систем связи, использующих фазоманипулированные сигналы. Данная методика расчета соотношения сигнал/шум, а также выведение защитных отношений разработаны для приемников фазоманипулированных сигналов различной сложности. Такие приёмники используют разнообразную форму огибающей элементарной посылки, а также сигналов модулированных минимальным сдвигом. Сама модель основывается на использовании приёма, имитирующего помеховое воздействие на систему связи фазоманипулированными сигналами, позволяющая определять защитное значение для высокочастотных трактов, а также для промежуточной частоты, для различных видов импульсных и непрерывных радиопомех.
Литература
1. Кремер И.Я., Владимиров В.И., Карпухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. М.: Сов. Радио, 1972.
2. Владимиров В.И., Докторов А.Л. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем; под ред. Н.М. Царькова. М.: Радио и связь, 1985.
3. 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.
Поступила 15.05.2018; принята к публикации 20.09.2018
Информация об авторах
Васильченко Дмитрий Владимирович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Пирогов Александр Александрович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Остроумов Иван Владимирович - канд. техн. наук, старший преподаватель, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Антиликаторов Александр Борисович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF METHODS FOR DEFINITION OF PROTECTIVE RELATIONS IN DEVICES USING DIFFERENT PRINCIPLES OF SIGNAL MODULATION
D.V. Vasil'chenko, A.A. Pirogov, I.V. Ostroumov, A.B. Antilikatorov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Рис. 2. Единократное определение соотношения сигнал/шум при заданных параметрах
Результатами работы программы являются графики сигналов, определение соотношения сигнал/шум и вывод на его основе защитного отношения для РЭС. Всё это возможно без проведения натуральных испытаний готового устройства. Все это снижает временные затраты на определение значений необходимых соотношений для последующей отстройки радиоэлектронных помех, имеющих случайные характеристики, меняющиеся с течением времени, путём накопления и анализа статистических результатов.
Abstract: currently, wireless electronics is booming. In particular, wearable gadgets that have recently used wired systems to communicate with various devices have introduced wireless communication channels as connecting elements of information transmission. These include a variety of peripherals, such as headphones, smart clocks, etc. All these channels operate at certain frequencies, which can be damped by the effects of various types of electromagnetic interference. These interferences adversely affect not only the reception of the signal, but also the receiving and transmitting devices themselves, as well as all electronic devices located in the interference zone. The article shows the technique of determining the signal-to-noise ratio and calculating the protective ratio by means of which it is possible to determine the protective ratio by the high-frequency path and at the intermediate frequency without carrying out tests that require large time and material costs. This technique is suitable for use in radioelectronic facilities using signals with phase, as well as frequency modulation, with respect to radio interference of various types. Such disturbances include impulse and continuous radio interference based on phase-manipulated signals, frequency-modulated signals and signals modulated in frequency by harmonic or saw-tooth voltage
Key words: radio electronic means, signal manipulation, wireless communication systems, signal-to-noise ratio, protective ratio
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.
2. Vladimirov V.I., Doktorov A.L.; ed. Tsar'kova N.M. "Electromagnetic compatibility of radioelectronic facilities and systems" ("Elektromagnitnaya sovmestimost' radioelektronnykh sredstv i sistem"), Moscow, Radio i Svyaz', 1985.
3. Romashchenko M.A. "The main tasks of the analysis of the provision of EMC in the designs of RES 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.
Submitted 15.05.2018; revised 20.09.2018 Information about the authors
Dmitriy V. Vasil'chenko, Student, Voronezh State Technical University 14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Aleksandr A. Pirogov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Ivan V. Ostroumov, Cand. Sc. (Technical), Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Aleksandr B. Antilikatorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
