Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ УЗКОПОЛОСНЫХ КАНАЛОВ РАДИОСВЯЗИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ СИГНАЛОВ С ВНУТРИИМПУЛЬСНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Ананьев А.В. 1 Безуглов Д.А. 2 Юхнов В.И. 2
1 Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
2 Ростовский технологический институт сервиса и туризма (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»
В настоящее время по-прежнему существует интерес к узкополосным системам связи, в том числе КВ-диапазона, поэтому актуальность повышения их качества работы не вызывает сомнений. Известны раз-личные способы повышения помехоустойчивости, к одному из которых следует отнести внесение избы-точности в спектр передаваемого сообщения. Одним из вариантов расширения спектра является переда-ча дискретных сообщений сигналами с линейной частотной внутриимпульсной модуляцией. Однако существующие одновременно ограничения по ширине канала и минимальной скорости передачи не позволяют применять сигналы с базой более 10. В то же время оптимальная обработка таких сигналов дает большой уровень побочных выбросов сжатых сигналов (боковых лепестков), борьба с которыми заключается в повышении порога срабатывания устройств обработки информационных последователь-ностей, что практически исключает выигрыш в отношении сигнал/шум при использовании сигналов с малыми базами. Известные способы снижения уровня боковых лепестков оказываются недостаточно эффективными или неоправданно ресурсоемкими. Поэтому в работе осуществлена разработка способов формирования и обработки сигналов с внутриимпульсной нелинейной частотной модуляцией для узко-полосных каналов радиосвязи, реализующих в целом способ снижения уровня боковых лепестков сжатых сигналов, обеспечивающий существенное приближение к потенциальной помехоустойчивости, достигаемой за счет применения методов расширения спектра.
боковые лепестки.
обработка сигналов
помехоустойчивость
1. Беседа А. Л., Зубков М. В. Сигналы с нелинейной частотной модуляцией, имеющие низ-кий уровень боковых лепестков автокорреляционной функции / А. Л. Беседа, М. В. Зубков // Вопросы радиоэлектроники. 2008. №2. С. 101-112.
2. Вакман Д. Е. Сложные сигнала и принцип неопределенности в радиолокации. М.: Советское радио, 1965. 303 с.
3. ГОСТ 52016-2003 Приемники магистральной радиосвязи гектометрового-декаметрового диапазона волн.
4. Козачок Н. И., Радько Н. М., Степанов В. Г., Иркутский О. А., Колтаков А. И. Использо-вание ЛЧМ-сигналов в приемопередающих устройствах с фильтровой обработкой. XIV международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». Воро-неж, 2008. Т. 2. С.1060-1065.
5. Кочемасов В. Н., Оконечников В. С. Сжатие частотно-модулированных сигналов с не-большим произведением девиации частоты на длительность импульса // Зарубежная радио-электроника. 1987. № 1. С. 82-94.
6. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы / Пер. с англ. под ред. Кельзона В. С. М.: Советское радио, 1971. С. 568.
7. Пат. 101292 РФ, МПК Н03С 3/00. Фазовый модулятор / А.В. Ананьев, Б. Ф. Змий (РФ). № 2010116494/09; Заяв. 26.04.2010; Опубл. 10.01.2011, Бюл. №1. 3с.: ил.
8. Пат. 2439776 РФ, МПК H03C 3/38. Способ фазовой модуляции сигнала / А. В. Ананьев, Б. Ф. Змий (РФ). – № 2009108632/08; Заяв. 10.03.2009; Опубл. 10.01.2012, Бюл. №1. 6с.: ил.
9. Пат. 2447455 РФ, МПК G01S 13/02. Способ уменьшения уровня боковых ле-пестков сжатого ЛЧМ-сигнала / А. В. Ананьев, Б. Ф. Змий (РФ). – № 2010143068/07; Заяв. 20.10.2010; Опубл. 10.04.2012, Бюл. № 10. 11с.: ил.
10. Свистов В. М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Советское радио, 1997. 584 с.
11. Справочник по радиолокации / Под ред. М. Сколника, пер. с англ. Т. 3. М.: Советское радио, 1978. 528 с. High performance CSS transceiver enabling location awareness TN100. www.st.com
12. IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange be-tween systems Local and metropolitan area networks Specific requirements. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). IEEE Std 802.15.4a™-2007.
13. Levanon, N., Mozeson, E. Radar Signals. IEEE Press 2004. P. 427.
14. Price, R., Chebyshev low pulse compression sidelobes via nonlinear FM. National Radio Sci-ence Meetting of URSI, Seattle, WA June 18, 1979.

В настоящее время в интересах повышения помехоустойчивости каналов радиосвязи находят широкое применение методы расширения спектра. К одному из таких методов следует отнести передачу информации на основе применения внутриимпульсной линейной частотной модуляции (ЛЧМ). Известны зарубежные стандарты радиосвязи [12] и технические решения по построению приемопередающих устройств для СВЧ диапазона радиосвязи [4] с использованием ЛЧМ-сигналов. В УКВ диапазоне известно применение ЛЧМ в качестве несущей [3]. Применение передачи информации сигналами с внутриимпульсной ЧМ в узкополосных каналах радиосвязи с целью повышения помехоустойчивости возможно только с небольшими базами, так как существуют одновременно ограничения по ширине полосы рабочих частот каналов связи [3] интервалом 12 кГц и необходимость поддержания относительно высоких скоростей передачи информации 600–1200 бит/сек, что не позволяет обеспечить базу сигнала более 10. Известно, что эффект повышения помехоустойчивости за счет применения методов расширения спектра пропорционален базе сигнала, однако при оптимальной обработке возникает необходимость снижения уровня боковых лепестков (УБЛ) сжатых ЛЧМ сигналов, которые снижают реальную помехоустойчивость каналов, при этом влияние боковых лепестков на помехоустойчивость при малых базах выражено еще сильнее, чем при больших. Вопросам снижения уровня боковых лепестков сжатого импульса посвящено много работ в области радиолокации (работы Вакмана Д. Е., Кнышева И. П., Кочемасова В. Н., Белова Л. А., Оконечникова B. C., Кука Ч., Бернфельда М., Родионова В. В., Рукавишникова В. М., Филонова Ю. В., Фурмана Я. А., Кревецкого А. В. и др.). Однако рассмотренные в этих работах технические решения относятся к широкополосным сигналам с большими базами, требуют существенных аппаратурных затрат и ведут к увеличению длительности сжатого импульса, а следовательно, к снижению эффекта повышения.

Поэтому целью работы является повышение помехоустойчивости узкополосных каналов радиосвязи на основе применения НЧМ сигналов с малой базой и разработки эффективного способа снижения уровня боковых лепестков сжатых импульсов.

Анализ известных работ, посвященных снижению УБЛ сжатых импульсов, позволяет выделить следующие методы: формирование нелинейно частотно модулированных сигналов; весовая обработка принимаемых ЛЧМ сигналов (проводится как во временной, так и в частотной области); обработка амплитудного спектра принимаемых ЛЧМ сигналов скорректированными весовыми функциями.

В работе предлагается метод снижения УБЛ, основанный на формировании сигналов с нелинейной частотной модуляцией (НЧМ) и их обработке в устройствах с оптимальными (в смысле максимума отношения уровня основного лепестка к уровню боковых лепестков при минимальном расширении основного) частотными характеристиками.

Наиболее близким к предлагаемому в работе методу является метод обратных пульсаций [5], основанный на весовой обработке в частотной области скорректированной весовой функцией сжатого сигнала на выходе коррелятора, дающей гарантированный уровень боковых лепестков сжатого ЛЧМ-сигнала (например, окно Хемминга, Наталла, Чебышева и др.). Закон обработки амплитудного спектра сигнала при этом находится как отношение известной весовой функции к огибающей амплитудного спектра сигнала

,

где - весовая функция, реализующая известное взвешивающее окно; - огибающая амплитудного спектра исходного ЛЧМ – сигнала, после амплитудно – частотной коррекции ЛЧМ – сигнал сжимается в устройстве сжатия (например, дисперсионной линии задержки). Недостатком этого способа является расширение основного лепестка и, как следствие, снижение отношения сигнал/шум. В работе предлагается способ снижения УБЛ исключающий расширение сжатого импульса, заключающийся в определении законов обработки амплитудного спектра сигнала и фазового спектра сигнала.

1. Формирование сигналов с внутриимпульсной нелинейной частотной

модуляцией

Существуют различные варианты законов нелинейной частотной модуляции [1, 2, 6, 10, 11, 14, 13], однако они не эффективны по тем или иным причинам для сигналов с малой базой. Поэтому в работе предложен гармонический закон НЧМ и определены его оптимальные параметры:

,

где – начальная круговая частота, – начальная линейная частота, – скорость изменения круговой частоты, – круговая девиация частоты, – величина максимального приращения к закону изменения частоты, – частота изменения закона внутриимпульсной модуляции. При изменении частоты в соответствии и положительной скорости фаза будет изменяться по закону:

 

Приняв, , перепишем выражение :

 

При изменении фазы сигнала в соответствии с импульс с НЧМ будет описываться выражением:

.

Варьируя частотой закона НЧМ и величиной максимального приращения по отношению к линейному закону изменения несущей частоты , можно максимизировать отношение максимума основного лепестка автокорреляционной функции НЧМ-сигнала к уровню боковых лепестков при допустимом расширении основного лепестка.

.

Решение задачи осуществлено в два этапа. На первом этапе была установлена частота закона НЧМ, а на втором определена величина максимального приращения к закону изменения частоты . На рисунке Рисунок 1 представлено частное решение задачи .

 

Рисунок 1. Закон НЧМ (а), спектр НЧМ (б), АКФ сжатого НЧМ сигнала (б)

Установлено, что к снижению уровня боковых лепестков приводит частота НЧМ (рисунок 1 Рисунок 1а) равная , в то время как другие варианты искажают спектр и существенно увеличивают ширину сжатого импульса, что соответствует источнику [2].

На втором этапе для сигнала с НЧМ численными способами были определены зависимости и относительного расширения основного лепестка

для различных значений базы . На рисунке Рисунок 2 представлены зависимости , в % по основанию основного лепестка сжатого сигнала и по уровню 0.5 для базы В=10.

 

Рисунок 2. Зависимости уровня боковых лепестков и ширины основного лепестка от m

Полученные графики позволяют сделать следующие выводы: зависимость УБЛ от величины нелинейная и экстремальные точки; существует первый локальный экстремум, в пределах которого отсутствует резкое увеличение ширины основного лепестка, особенно по основанию; для различных значений сигналов с НЧМ локальный экстремумы зависимости имеют различные координаты. Нетрудно видеть, что при m=0.7 УБЛ минимален, а расширение основного по уроню 0,5 не превосходит 25 %. Оптимизация глубины модуляции в законе НЧМ позволяет скруглить спектр (рисунок Рисунок 1б) и снизить УБЛ до 25-28 дБ (рисунок Рисунок 1в). Для формирования сигналов с НЧМ был разработан способ формирования на основе фазовой модуляции [8] и устройство его реализующее [7].

2. Обработка сигналов с внутриимпульсной НЧМ

В работе предлагается способ обработки НЧМ на основе определения оптимальных характеристик устройств обработки по требуемой форме выходного импульса. Способ разработан на основе источника [9].

На первом этапе выходной импульс задается в виде гауссова импульса соответствующего основному лепестку автокорреляционной функции НЧМ сигнала:

,

где – центральная частота сигнала. Для определения требуемого коэффициента в законе Гаусса осуществляется аппроксимация основного лепестка АКФ НЧМ сигнала.

На втором этапе определяется требуемый закон АЧХ устройства обработки

,

где – комплексный спектр сигнала с НЧМ, – комплексный спектр на выходе.

На третьем этапе определяется требуемый закон фазочастотной характеристики

,

связанный с требуемым законом ГВЗ выражением:

.

Полученный закон ФЧХ обеспечивает такой сдвиг гармоник, что во время существования основного лепестка сжатого НЧМ обеспечивается синфазное сложение составляющих амплитудного спектра, а во время существования боковых лепестков – противофазное. Требуемые характеристики , , вычислены на основе использования дискретного преобразования Фурье и представлены соответственно на рисунках 3,4. Расчет характеристик , для НЧМ-сигнала с параметрами: длительность , , начальная частота ЛЧМ-сигнала , конечная частота ЛЧМ-сигнала .

 

Рисунок 3. Требуемый закон АЧХ фильтрового устройства обработки НЧМ сигнала

 

Рисунок 4. Требуемый закон ГВЗ устройства обработки фазового спектра НЧМ сигнала

На рисунке Рисунок 5 представлен частный случай обработки НЧМ сигнала на выходе устройства с частотными характеристиками и .

 

Рисунок 5. Сжатый НЧМ сигнал на выходе устройства обработки

Выводы. Таким образом, при применении сигналов с малой базой (порядка 10), сочетая формирование по простейшему нелинейному закону с оптимизированными параметрами глубины модуляции и обработку такого сигнала в приемном устройстве с АЧХ, вычисленной по закону и нелинейной характеристикой ГВЗ, вычисленной по закону при ограничении полосы обработки сигналов по 98 %-му уровню энергии сигнала, подавление боковых лепестков составляет порядка -40 дБ. Потери в отношении сигнал/шум за счет рассогласования фильтрации составили 0.88 дБ.

Исследование проведено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14В37.21.2067

Рецензенты:

Звездина Марина Юрьевна, доктор физико-математических наук, доцент, заведующая кафедрой "Радиоэлектроника", Минобрнауки России, Ростовский технологический институт сервиса и туризма (филиал) ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса», г. Ростов-на-Дону.

Мищенко Сергей Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры "Радиоэлектроника", Минобрнауки России, Ростовский технологический институт сервиса и туризма (филиал) ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса», г. Ростов-на-Дону.


Библиографическая ссылка

Ананьев А.В., Безуглов Д.А., Юхнов В.И. ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ УЗКОПОЛОСНЫХ КАНАЛОВ РАДИОСВЯЗИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ СИГНАЛОВ С ВНУТРИИМПУЛЬСНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8209 (дата обращения: 09.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074