CC BY
167
Ал
Анализ обнаружителей слабых сигналов построенных на базе перестраиваемых согласованных фильтров
Устройства обнаружения сигналов нашли широкое применение в системах. построенных на базе дискретных перестраиваемых согласованных фильтров при решении задач грубой синхронизации (поиске) сигнала с расширенным спектром. При малых отношениях сигнал/шум и ограниченной длине фильтра для получения требуемых характеристик обнаружения целесообразно использовать дополнительные накопители, включенные на выходе фильтра. Общей чертой всех накопителей является потенциальное повышение эффективности их работы с увеличением числа суммируемых элементов, однако в расчетах всегда фигурирует число накапливаемых отсчетов, которые вместе с полезной информацией содержат в себе результат наложения мешающего воздействия.
Приводятся результаты анализа характеристик обнаружения для различных вариантов выбора длинны согласованного фильтра и количества накапливаемых в накопителях выходных откликов Ключевыв слова: грубая согласованного фильтра. Более того рассматриваются различные принципы работы накопителей при
синхронизация, сигнал с установке дополнительных условий сложения выходных откликов согласованного фильтра.
расширенным спектром, Особенность рассматриваемой схемы обнаружения заключается в формировании входных отсчетов
согласованная фильтрация, обрабатываемого сигнала, на интервале времени равном длительности сигнала с расширенным
усгройство пок/сха алгоритмы спектром. Результаты получены путем имитационного моделирования на модели устройства поиска,
накопления. разработанной в среде МАТ1АВ 31ти!шк.
Арбузов А.С.,
Младший научный сотрудник МТУСИ, [email protected]
Общие функции устройства поиска
Современные системы связи с каждым днем все больше опираются на технологии расширения спектра (РС), которые позволяют достигать повышения спектральной эффективности и помехозащищенности, по сравнению с классическими методами передачи информации. Вместе с явными выгодами от применения подобных систем, просматриваются основные трудности их использования, одной из которых является необходимость синхронизации принимаемой и опорной расширяющих последовательностей, для последующего осуществления демодуляции. Определение величины задержки и создание сигнала коррекции является целью работы любого устройства синхронизации. Реализация такого устройства удобна и рациональна на базе дискретного перестраиваемого согласованного фильтра (СФ) и обработки его результатов, по которым может быть получена искомая величина запаздывания принятого сигнала.
Отличие найденной величины от истинного значения — ситуация возникающая при неверном выборе длинны СФ или малых отношениях сигнал/шум. В первом случае превышающая длину СФ задержка неизбежно приводит к ошибке, неоднозначности в определении величины запаздывания. Для второго случая характерно сильное искажения сигнала на входе СФ, что может значительно отдалять картину на выходе СФ от автокорреляционной функции опорной последовательности. Работа накопителей позволяет выделять символ последовательности с максимальным значением в тех случаях, когда сигналы на выходе согласованного фильтра не обладают явными максимумами или обладают множественными максимумами в пределах сегмента. Поскольку накопление затрагивает и полезную и мешающую составляющую на выходе СФ, возрастает вероятность обнаружения ложного положения максимума. Таким образом, длительность работы устройства накопления — важнейший
выбираемый параметр и установка его значения может быть представлена как компромиссная задача, где вносимая величина задержки обращается потенциально лучшим результатом накопления. Кроме этого, при оценке накопления необходимо обратить внимание на используемый в системе поиска согласованный фильтр. Его длина определяет величину обрабатываемого сегмента последовательности, а следовательно максимальное значение определяемой задержки, общее число сегментов в периоде последовательности и величину максимумов в каждом сегменте.
Немаловажными параметрами работы устройства поиска являются: величина временных затрат и сложность реализации устройства. Сложность реализации наиболее удобно рассматривать в числе необходимых операций при учете возможности (или невозможности) их параллельного выполнения. Из общего принципа построения устройства становиться видно, что наибольшие затраты приходятся на реализацию СФ и элементов памяти задействованных в устройстве накопления и решающем устройстве. Отсюда неизбежно вытекает, что объем всего устройства в значительной мере зависит от длины СФ (желаемого диапазона измерения задержки), частоты дискретизации и числа уровней АЦП. Величина временной задержки находиться в прямой зависимости от длины СФ и длительности накопления, однако важной составляющей верного обнаружения является отслеживание систематической задержки и ее учета при вынесении решения.
Создание модели устройства синхронизации
Были исследованы вопросы оптимизации работы устройства обнаружения, поиску недостатков его функционирования и наилучшего соотношения между величиной временных затрат и точностью работы системы. Кроме этого были рассмотрены методы снижения аппаратных затрат возможно связанное с усложнением алгоритмов, на основе чего мог бы основываться выбор наилучшего решения для реализации подобной системы.
Вышеперечисленные параметры исследовались с помощью имитационной модели, построенной в среде МАТ1_АВ 51ти!1пк Созданная конструкция имитационной модели заключает в себе фор-
мирователи квадратурного сигнала, добавление аддитивного гауссовского шума в канале передачи устройства, прием и разделения сигнала по соответствующим каналам, устройство дискретизации по 4 отсчета на символ и квантование на 4 уровня после чего сигнал поступает на СФ (рис.1,А). Использование нескольких отсчетов на один символ последовательности позволяет получить более сглаженную, более точную автокорреляционную характеристику на выходе СФ. Похожими преимуществами обладает сигнал, квантованный более чем на 2 уровня. Эти шаги позволяют более точно обрабатывать поступающую последовательность, однако вместе с тем требуют больших затрат памяти во всех устройствах обработки.
Устройства накопления (рис.1,Б) подключаются к квадратурным каналам и тактовому генератору для осуществления внутренней синхронизации и обнулению значений по окончанию периода. Результаты накопления проходят последовательное сравнение в решающем устройстве (рис.1,В); и определяется порядковый номер отсчета, обладающий максимальным значением. Полученные номера отсчета сравниваются с величинами констант вносимой задержки, из чего формируется подсчет верного числа обнаружений.
Построенная схема работает с большим числом прерывных операций, для внутренний синхронизации которых к большинству блоков приемной стороны подключается тактовый генератор. Работа счетчика тактовых импульсов в каждом отдельном блоке, создает необходимые управляющие сигналы или уменьшает число проходящих импульсов в установленное число раз. Кроме того подсчет прошедшего числа импульсов используется, как индекс текущего отсчета последовательности в устройстве принятия решений. Кроме прочих функций тактовый генератор отвечает за частоту выбора отсчетов синусоидального колебания и частоту дискретизации на приемной стороне.
Анализ модели и работа устройства в различных конфигурациях
Первой задачей решаемой с помощью этой модели стала оценка работы устройства при различной длительности накопления. Для проведения испытаний был выбран и построен СФ длинной 128, ПСП с периодом 8192 и отрезок времени равный 64 периодам ПСП. Кроме этого был выбран диапазон изменения отношения
С/Ш с нижней границей -20 дБ, где начинается заметное снижение числа обнаружений. Устройство накопления, задействованное в этом испытании, осуществляет сложение сегментами модулей 512 значений синфазного и квадратурного каналов на протяжении а) полного периода; б) половины периода; в) четверти периода. По прошествии выделенного периода времени суммарное значение сегмента запоминается, и откладывается до окончания периода последовательности, когда в решающем устройстве выделяется индекс максимального значения.
Результаты наблюдений опираются на число точных определений величины задержки, однако стоит отметить, что в процессе испытаний большая часть случаев ошибочного определения задержки обладала результатом, отличающимся от действительного значения задержки на длительность одного символа. Такое расхождение может устраняться устройством точной синхронизации, и следовательно быть скомпенсировано. Однако полученные данные особенно наглядно иллюстрируют динамику числа верных обнаружений при усложнении условий приема и уменьшении длительности накопления. Как следует из полученных результатов, высокая длительность накопления дает возможность получать лучшие результаты, особенно заметные в случаях сильного зашумления, однако даже в случае накопления всего периода последовательности число верных обнаружений не достигает половины от общего числа испытаний.
С целью получения лучших результатов были рассмотрены пути модификации устройства накопления, и построены имитационные схемы соответствующие измененным алгоритмам. Обе предлагаемые системы накопления предполагают использование двухэтапного накопления, первым шагом в котором станет выбор наилучшего отсчета в пределах символа ПСП, и вторым — покадровое накопление выбранных отсчетов. На первом шаге из четырех значений в пределах каждого символа алгоритм формирует одно значение, отвечающие целому символу ПСП. В первом варианте значение символа выбирается как максимальное среди четырех путем последовательного сравнения, а во втором — как сумма четырех его отсчетов. Таким образом переходя ко второму шагу оба алгоритма накопления стоят перед одинаковой задачей, сходной с той что уже была решена для накопления сегментов последовательности по 512 элементов. Рассмотренные алгоритмы накопления реализованы в
44+ 4 4+
44 +44 44
Тдеп «1Л)цуС1г\_в
р«оо_* риао.ю
РИСО 6 1
-► 0?1«
мсо.і:
ООіТРНдм веским
І ппп г
□
З НР$ І
lipitClji.it;
сі¥3дпаі кь
►]4У\І0(*СІп
Окриє
4іДіауСіп_* -Тдеп >
РМЩ -РІОО.ВО N р асо.еі ► рісо.і:>
ОАТооІ
: Ііі СМ
СО!
1*Р •: N
А
МРХі2вХ40і
-► ОеІ«,
РЯі і рмдеї РесЕие
444 44+
Ндгьй 1
:1дг»а1 0 Опт»
Тдеп
МдгаІ 1
;1дпаі 0 Сип
Тдеп
В
лдпа!
Тдеп СМ1Ш
-Ч~ГН-
а-йакіна, йашпк
ЕРС .еггогсаїм
а. ti.il Фіг іесім*
Рис. 1. Схема имитационной модели в среде МАТІАВ Бітиііпк. А) Перестраиваемые СФ синфазного и квадратурного канала. Б) Устройства кадрового накопления. В) Устройство обнаружения положения максимума.
ется достичь до одной четверти верных обнаружений для значения отношения сигнал/шум -40дБ.
БЫ — простой накопитель. ББ — Двухступенчатый накопитель с суммированием внутри символа. БС — двухступенчатый накопи-_ 50% тель с выбором внутри символа.
■ 50% 25%
Рис. 2
виде фрагмента имитационной модели и включены в схему, использованную для испытания простого накопителя.
Оценка работа двухэтапных накопителей производилась при сохранении постоянной длительности накопления равной полному периоду последовательности. Отличительной особенностью этих испытаний явилось заметно более высокое число верных обнаружений в сравнении с одноэтапным накопителем, однако ложные обнаружения в большинстве случаев имели величины заметно отличающиеся (более чем на длительность одного символ) от истинного значения. Между собой двухэтапные алгоритмы не имеют заметных различий и спадов числа верных обнаружений для области отношения сигнал/шум меньше -30дБ, где выделяется преимущество алгоритма со сложением. Кроме того применением этих алгоритмов уда-
--------SN
---------SS
----------sc
Рис. 3. Вероятности верного обнаружения для различных вариантов реализации накопителя при отношении сигнал/шум [-20;-40] дБ.
Заключение
В результате серии испытаний было выявлено преимущество использования алгоритма накопления для полного периода последовательности. Кроме того уменьшение длинны СФ повышает эффективность работы накопителя, увеличивая число накапливаемых за период сегментов, но в тоже время уменьшает максимальную величину определяемой задержки и заметность максимума в каждом отдельном сегменте.
Предлагаемые в статье двухэтапные устройства накопления имеют более высокую эффективность по сравнению с простым алгоритмом, выраженную в большем числе верных обнаруэжений. Их структура использует значительно большее число элементов, однако позволяет уменьшить объем информации, поступающей на вход решающего устройства и вместе с тем количество производимых сравнений до принятия решения. Таким образом несмотря на некоторое увеличение вычислительной сложности устройства обнаружения, удалось упростить его аппаратную реализацию и получить сравнительно лучшую вероятность обнаружения.
Литература
1. Журавлев В.И., Трусевич Н.П. Методы модуляции радиосигналов в системах передачи цифровых сообщений. — М.: Инсвязьиздат, 2009.
2. Прокис Дж. Цифровая связь. — М.: Радио и связь, 2000.
3. Madisetti V.K. Digital Signal Processing Fundamentals — CRC Press, 2009.
4. Poularikas A.D., Ramadan Z.M. Adaptive Filtering Primer with MATLAB — CRC Press, 2006.
5. Poularikas A.D. Transforms and applications primer for engineers with examples and MATLAB — CRC Press, 2010.
