Реферат по теме магистерской работы Исследование адаптивного обнаружителя радиосигналов на фоне негауссовых помех с целью улучшения рабочих характеристик
Содержание
Введение
1. Актуальность темы
2. Цель и задачи исследования
3. Основные типы ШПС
3.1. Частотно-модулированные (ЧМ) сигналы
3.2. Многочастотные (МЧ) сигналы
3.3. Фазоманипулированные (ФМ) сигналы
3.4. Дискретные частотные (ДЧ) сигналы
3.5. Дискретные составные частотные (ДСЧ) сигналы
4. Описание метода основанного на распознавании образов
Выводы
Список источников
Шумоподобными сигналами (ШПС) называют такие сигналы, у которых произведение ширины спектра F на длительность T много больше единицы. Это произведение называется базой сигнала, и обозначается B, т. е. B = FT.
У ШПС B >> 1. Шумоподобные сигналы иногда называют сложными в отличие от простых сигналов с B = 1. Поскольку у сигналов с ограниченной длительностью спектр имеет неограниченную протяженность, то для определения ширины спектра используют различные методы и приемы. Для реальных ШПС, состоящих из конечного числа элементов, всегда можно однозначно определить и F, и B.
В системах связи с ШПС ширина спектра ШПС F всегда много больше ширины спектра передаваемого сообщения. В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПC, и скорость передачи информации R связаны cотношением T = 1/R. Поэтому база ШПС B = F/R характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра сообщения. В аналоговых системах связи,у которых верхняя частота сообщения равна W и частота отсчета равна 2W, B=F/2W.
И если B >> 1, то F >> R и F >> 2W. Именно поэтому системы связи с ШПС в зарубежной литературе получили название системы связи с расширенным (или распределенным) спектром, а в отечественной литературе – широкополосные системы связи.
Системы с шумоподобными сигналами(ШПС) известны уже половину века. За это время их многие недостатки устранены. В настоящее время системы связи с ШПС получают все более широкое распространение. Процесс расширения областей использования систем связи с ШПС необратим и в ближайшем будущем внимание к ним будет усиливаться.
Основу теории систем связи с ШПС заложили работы В. А. Котельникова [1] и К. Шеннона [2], а основы кодового разделения – работа Д. В. Агеева [3]. По теории и технике системы связи с ШПС написано много книг, статей обзоров, сведения о которых до 1981 г. Можно найтив книгах [4 – 9].
Цель работы – исследование адаптивного обнаружителя радиосигналов. Необходимо произвести анализ существующих методов обнаружения, раскрыть сущность выбранного метода, определить основные параметры и характеристики обнаружителя, основанного на методе распознавания образов и привести его преимущества и недостатки. В заключении нужно произвести комплексный анализ полученных данных и оценить эффективность метода.
Известно большое число различных ШПС, свойства которых нашли отражение, во многих, книгах и журнальных статьях. Общепринятой терминологии пока не существует. Тем не менее, ШПС можно разбить на частотно-модулированные (ЧМ) сигналы; многочастотные (МЧ) cигналы; фазоманипулированные (ФМ) сигналы (сигналы с кодовой фазовой модуляцией КФМ сигналы); дискретные частотные (ДЧ) сигналы (сигналы с кодовой частотной модуляцией – КЧМ сигналы, частотно-манипулированные (ЧМ) сигналы); дискретные составные частотные (ДСЧ) (составные сигналы с кодовой частотной модуляцией – СКЧМ сигналы).
В скобках указаны и другие названия. Иногда ФМ сигналы называют просто ШПС, ДЧ сигналы – сигналы с прыгающей частотой
.
3.1 Частотно-модулированные (ЧМ) сигналы являются непрерывными сигналами, частота которых меняется по заданному закону.
На рис. 2.12,а изображен ЧМ сигнал, частота которого меняется по V-образному закону от f0 - F/2 до f0 + F/2, где f0 – центральная (несущая) частота сигнала, F - ширина спектра, в свою очередь равная девиации частоты F = Δfд. Длительность сигнала равна Т. На рис. 2.12,б, представлена частотно-временная (f, t) - плоскость, на которой штриховкой приближенно изображено распределение энергии ЧМ - сигнала по частоте и по времени. База ЧМ сигнала по определению (1.1)
Частотно-модулированные сигналы нашли широкое применение в радиолокационных системах, поскольку для конкретного ЧМ сигнала можно создать согласованный фильтр на приборах с поверхностными акустическими волнами (ПАВ). В системах связи необходимо иметь множество сигналов. При этом необходимость быстрой смены сигналов и переключения аппаратуры формирования и обработки приводят к тому, что закон изменения частоты становится дискретным. При этом от ЧМ сигналов переходят к ДЧ сигналам.
3.2 Многочастотные (МЧ) сигналы (рис.2.13,а) являются суммой N гармоник u1(t)...uN(t), амплитуды и фазы которых определяются в соответствии с законами формирования сигналов. На частотно-временной плоскости (рис. 2.13,6) штриховкой выделено распределение энергии одного элемента (гармоники) МЧ сигнала на частоте fk. Все элементы (все гармоники) полностью перекрывают выделенный квадрат со сторонами F и T. База сигнала B равна площади квадрата. Ширина спектра элемента F ≈ 1/T. Поэтому база МЧ сигнала
т. е. совпадает с числом гармоник. МЧ сигналы являются непрерывными и для их формирования и обработки трудно приспособить методы цифровой техники. Кроме этого недостатка, они обладают также и следующими: а) у них плохой пик-фактор (см. рис. 2.13,а); б)для получения большой базы B необходимо иметь большое число частотных каналов N. Поэтому МЧ сигналы в дальнейшем не рассматриваютcя.
3.3 Фазоманипулированные (ФМ) сигналы представляют последовательность радиоимпульсов, фазы которых изменяются по заданному закону. Обычно фаза принимает два значения (0 или π). Приэтом радиочастотному ФМ сигналу соответствует видео- ФМ сигнал (рис. 2.14,а),состоящий из положительных и отрицательных импульсов. Если число импульсов N, то длительность одного импульса равна τ0 = T/N, а ширина его спектра равна приближенно ширине спектра сигнала F = 1/τ0 = N/T. На частотно-временной плоскости (рис. 2.14,б) штриховкой выделено распределение энергии одного элемента (импульса) ФМ сигнала. Все элементы перекрывают выделенный квадрат состоронами F и Т. База ФМ сигнала
т. е. равна числу импульсов вz сигнале.
Возможность применения ФМ сигналовв качестве ШПС с базами B = 104...106 ограничена в основном аппаратурной обработки.При использовании соглаоcованных фильтров в виде приборов на ПАВ возможен оптимальный прием ФМ сигналов с максимальными базами Bmax = 1000...2000. ФМ сигналы, обрабатываемые такими фильтрами, имеют широкие спектры (порядка 10 ... 20 МГц) и относительно короткие по длительности (50 ... 100 мкс). Обработка ФМ сигналов с помощью видеочастотных линий задержки при переносе спектра сигналов в область видеочастот позволяет получать базы B = 100 при F ≈ 1 МГц, T ≈ 100 мкс.
Весьма перспективными являются cогласованные фильтры на приборах с зарядовой связью (ПЗС). согласно опубликованным данным с помощью согласованных фильтров ПЗС можно обрабатывать ФМ сигналы с базами 102...103 при длительностях сигналов 10-4...10-1 с. Цифровой коррелятор на ПЗС способен обрабатывать сигналы до базы 4·104.
Следует отметить, что ФМ сигналы с большими базами целесообразно обрабатывать с помощью корреляторов (на БИС илина ПЗС). При этом B = 4·104 представляется предельной. Но при использовании корреляторов необходимо в первую очередь решить вопрос об ускоренном вхождении в синхронизм.
Так как ФМ сигналы позволяют широко использовать цифровые методы и технику формирования и обработки и можно реализовать такие сигналы с относительно большими базами, то поэтому ФМ·сигналы являются одним из перспективных видов ШПС.
3.4 Дискретные частотные (ДЧ) сигналы представляют последовательность радиоимпульсов (рис. 2.15,а), несущие частоты которых изменяются по заданному закону. Пусть число импульсов в ДЧ сигнале равно М, длительность импульса равна T0 = T/M, его ширина спектра F0 = 1/T0 = M/T. Над каждым импульсом (рис.2.15,а) указана его несущая частота. На частотно-временной плоскости (рис.2.15,б) штриховкой выделены квадраты, в которых распределена энергия импульсовДЧ сигнала. Как видно из рис. 2.15,б, энергия ДЧ сигнала распределена не равномерно на частотно-временной плоскости.
База ДЧ сигналов
поскольку база импульса F0T0 = 1. Из (2.44) следует основное достоинство ДЧ сигналов для получения необходимой базы В число каналов M = √B, т. е. значительно меньше, чем для МЧ сигналов. Именно это обстоятельство и обусловило внимание к таким сигналам и их применение в системах связи. Вместе с тем для больших баз B = 104...106 использовать только ДЧ сигналы нецелесообразно, так как число частотных каналов B = 102...103, что представляется чрезмерно большим.
3.5 Дискретные составные частотные (ДСЧ) сигналы являются ДЧ сигналами, у которых каждый импульс заменен шумоподобными сигналом. На рис. 2.16,а изображен видеочастотный ФМ сигнал, отдельные части которого передаются на различных несущих частотах номера частот указаны над ФМ сигналом. На рис. 2.16,б изображена частотно-временная плоскость, на которой штриховкой выделено распределение энергии ДСЧ сигнала. Рис. 2.16,б пo структуре неотличается от рис. 2.15,б, но для рис. 2.16,б площадь F0T0 = N0 – равна числу импульсов ФМ сигнала в одномчастотном элементе ДСЧ сигнала.
Число импульсов полного ФМ сигнала
Изображенный на рис. 2.16 ДСЧ сигнал содержит в качестве элементов ФМ сигналы. Поэтому такой сигнал сокращенно будем называть ДСЧ-ФМ сигнал. В качестве элементов ДСЧ сигнала можновзять ДЧ сигналы. Распределение энергии такого сигнала на частотно-временной плоскости изображено на рис. 2.17. Если база элемента ДЧ сигнала
то база всего сигнала
Такой сигнал можно сокращенно обозначать ДСЧ-ЧМ. Число частотных каналов в ДСЧ-ЧМ сигнале равно M0M. Если ДЧ сигнал (см. рис.2.15) и ДСЧ-ЧМ сигнал имеют равные базы, то они имеют и одинаковое число частотных каналов. Поэтому особых преимуществ ДСЧ-ЧМ сигнал перед ДЧ сигналом не имеет. Но принципы построения ДСЧ-ЧМ сигнала могут оказаться полезными при построении 6ольших систем ДЧ сигналов.
Таким образом, наиболее перспективными ШПС для систем связи являются ФМ, ДЧ, ДСЧ-ФМ сигналы.
4. Описание метода основанного на распознавании образов
В магистерской работе рассматривается адаптивныйобнаружитель, который должен выделять сигнал с неизвестным законом модуляции в3-х различных помеховых ситуациях. На вход обнаружителя поступает совокупностьсигнала и шума. В работе анализируются три наиболее актуальные ситуации:
- помеха с нормальным законом распределения(нормальная)совместно с гармоническим сигналом
- помеха сосредоточенная по спектру(гармоническая)совместно с гармоническим сигналом
- гармонический сигнал на который воздействуетимпульсная помеха
Рассматривается классическийподход построения адаптивного обнаружителя:
- нелинейный элемент
- энергетический обнаружитель
- анализатор плотности вероятности, которыйформирует закон изменения y=f(x) нелинейного элемента
Структурная схема обнаружителя изображена на рис 1.
рис 1. Структурная схема обнаружителя
анимация(11 кадров, повотрение бесконечно, 105kb)
В ВЧ выделяютсянеобходимая частота на которой должно быть произведено обнаружение и анализсигнала. Полоса пропускания ВЧ тракта выбирается в соответствии с шириной спектраобнаруживаемого сигнала. Затем подается в блок СМ, куда также поступает гармоническийсигнал с гетеродина. Со смесителя совокупность новообразованных сигналовпоступает на блок НЧ. Изначально включен блок соответствующий обнаружению при воздействии помехи с нормальным закономраспределения. Затем Выделенный сигнал поступает на блок АРУ в которомосуществляется автоматическая регулировка усилением. В случае когда сигналприходит с низким уровнем блок осуществляет корректировку коэффициента усилениятаким образом, что бы на выходе сигнал имел заранее установленный уровень, аслучае когда сигнал с большим уровнем АРУ наоборот – подавляет его.
После блока АРУусилены(подавленный) сигнал поступает на устройство распознавания образов вкотором заранее определены законы распределения и пороги, которые соответствуюттой или иной обстановки. В случае, когда на сигнал воздействует на сигнал помехаотличная от нормальной, данный блок вырабатывает комманду переключения на блокНЧ и подлючает ту схему анализатора на которая соответствует определенной в УРОобстановке. В блоке УРО заведомо определены вероятности ошибок с которойопределяются помеховые ситуации.
Также с УПЧсигнал поступает на полосовой фильтр (ПФ), квадратичный детектор (КД),интегратор (И) и пороговое устройство (ПУ), которые предназначены длядетектирования сигнала.
В блоке УРО имеются следующие вероятности распределения помех
Вид спектральной плотности вероятности сосредоточенной по спектру помехи (Закон распределения arcsin) изображен на рис 3.
рис. 3 Закон распределения arcsin
рис 4. Нормальный закон распределения
рис 5. Закон распределения по Лапласу
Выводы
Данная магистерская работа посвящена актуальной научно-технической задаче исследования адаптивного обнаружителя радиосигналов на фоне негауссовых помех с целью улучшения рабочих характеристик, основным требованием которой, является точность приема ШПС.
- Котельников В. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М.: Госэнергоиздат, 1956. - 150с
- Шеннон К. Математическая теория связи. - В кгн.: К. Шеннон. Работы по теории информации и кибернатике: Пер. с англ./Под ред. Р. Л. Добрушина, О. Б. Лупанова. - М.: ИЛ, 1963, с. 243-332
- Агеев Д. В. Основы теории линейной селекции. - Научно-технический сборник ЛЭИС, 1935, №10
- Варакин Л. Е. Теория сложных сигналов. - М.: Сов. радио, 1970. - 375 с.
- Варакин Л. Е. Теория систем сигналов. - М.: Сов. радио, 1978. - 304 с.
- Статистическая теория связи и ее практические приложения/Под ред. Б. Р. Левина. - М.: Связь, 1979. - 592 с.
- Диксон Р. К. Широкополосны системы: Пер. с англ./Под ред. В. И. Журавлева. - М.: Связь, 1969. - 592 с.
- Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь: Пер. с англ./Под ред. В. В. Маркова. - М.: Связь, 1969. - 592 с.
- Поляков П. Ф. Широкополосные аналоговые системы связи со сложными сигналами. - М.: Радио и связь, 1981. - 152 с.