Черныш_А_В_Разработка алгоритма поиска шумоподобных

На правах рукописи
УДК 621.396
Черныш Александр Викторович
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПОИСКА ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ ПО
ВРЕМЕНИ
Специальность 05.13.01. – Системный анализ, управление и обработка информации
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2009
1
Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете
им. Н. Э. Баумана.
Научный руководитель -
Шахтарин Борис Ильич
доктор технических наук, профессор,
Заслуженный деятель науки и техники РФ,
Лауреат государственной премии СССР.
Официальные оппоненты:
д.т.н., проф. Неусыпин К.А.
к.т.н., проф. Журавлёв В.И.
Ведущая организация:
ФГУП «НПП «Дельта»
Защита состоится 13 октября 2009 г. в 14:30
на заседании диссертационного совета Д 212.141.02 при
Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана, по
адресу 107005, Москва, 2-ая Бауманская, д.5
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Технического Университета им. Н. Э. Баумана
Автореферат разослан 11 сентября 2009 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
2
к.т.н., доц. Иванов В.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1. Актуальность работы. Диссертация посвящена повышению эффективности систем синхронизации по задержке шумоподобных сигналов (ШПС).
Актуальность применения методики расширения спектра в беспроводных
системах передачи информации (СПИ) в последнее время существенно возросла, что обусловлено рядом преимуществ ШПС. В частности, данная методика
применяется в спутниковых навигационных системах (СНС) ГЛОНАСС и GPS.
Как отмечает большинство исследователей, важнейшим элементом приёмника
шумоподобных сигналов (ШПС) является система временной синхронизации, в
частности система поиска ШПС по задержке, осуществляющая предварительную (грубую) синхронизацию. В нашей стране наиболее известными фундаментальными работами в области анализа и разработки алгоритмов временной
синхронизации ШПС являются труды Г.И. Тузова, В.И. Журавлёва, Л.Е. Варакина, а также группы авторов из Воронежского Государственного Университета и концерна «Созвездие» под руководством В.И. Борисова. За рубежом
наиболее весомый вклад в развитие данной тематики внесли J.K. Holmes, M.K.
Simon, R.E. Zeimer, R.С. Dixon.
Опыт реализации и практической эксплуатации СПИ с ШПС выявил ряд
особенностей и проблем, которые необходимо учитывать при создании эффективных алгоритмов поиска ШПС. Известно, что для ШПС с большой базой оптимальные схемы предварительной синхронизации являются чрезвычайно громоздкими. Таким образом, как отмечается в большинстве работ, опубликованных в текущей декаде и посвящённых, в частности, синхронизации в СНС, актуальными являются задачи синтеза эффективных субоптимальных алгоритмов
поиска ШПС, учитывающих особенности функционирования СПИ с ШПС в
конкретных приложениях. В частности, известно, что принятый ШПС обладает
информационной избыточностью, которая может быть использована для повышения рабочих характеристик систем синхронизации. Кроме того, как следует из опыта эксплуатации СПИ с ШПС, взаимодействие различных модулей в
системе синхронизации ШПС оказывает существенное влияние на рабочие характеристики СПИ. На сегодняшний день отсутствуют работы, в которых в
полной мере учитывались бы указанные аспекты.
Также при решении задач синтеза алгоритмов предварительной синхронизации в СПИ с ШПС необходимо учитывать наметившуюся в последние несколько лет тенденцию к программной реализации всё большего количества
элементов синхронизации в СПИ с ШПС на цифровых сигнальных процессорах
(ЦСП). Данный подход позволяет сделать процесс разработки и эксплуатации
такого рода СПИ более гибким, но, в то же время, накладывает существенные
ограничения на требования к объёму аппаратных затрат. Таким образом, в
настоящее время, актуальными являются задачи разработки эффективных субоптимальных алгоритмов поиска ШПС, учитывающих особенности функционирования СПИ с ШПС в СНС и не обладающих повышенными вычислительными затратами.
3
2. Целью диссертационной работы является повышение рабочих характеристик систем синхронизации ШПС путём разработки алгоритма поиска к
СНС, минимизирующего среднее время вхождения в синхронизм в сравнении с
ближайшими аналогами и не обладающего значительной вычислительной
сложностью.
3. Задачи, решаемые в ходе исследования:
3.1 Вывод целевой функции системы синхронизации ШПС с точки зрения
снижения среднего времени достижения синхронизма на основе анализа взаимодействия различных модулей в системе.
3.2 Разработка алгоритма поиска, учитывающего особенности практического функционирования систем поиска и взаимодействие модулей в системе
синхронизации, обеспечивающего уменьшение среднего времени поиска ШПС
при неизменности требований к объёму аппаратных затрат.
3.3 Построение математической модели алгоритма, определение его параметров и рабочих характеристик. Сравнение с аналогами.
3.4 Анализ улучшения целевой функции системы, применительно к разработанному алгоритму.
3.5 Построение имитационной модели системы синхронизации ШПС.
Получение экспериментальных рабочих характеристик предложенных решений.
4. Положения, выносимые на защиту:
4.1 Целевая функция системы синхронизации ШПС по времени, полученная на основе интегрального подхода, учитывающего взаимодействие структурных элементов системы синхронизации.
4.2 Результаты разработки и анализа алгоритма поиска с верификацией,
полностью использующего информационную избыточность, а также позволяющего осуществить уточнение оценки задержки на контрольном этапе и минимизировать целевую функцию системы синхронизации ШПС по всем параметрам.
4.3 Методика определения оптимального значения длительности корреляционного анализа принятого сигнала на этапе верификации.
4.4 Результаты анализа статистических характеристик процедуры селекции точки с максимальным откликом и её влияния на повышение рабочих характеристик системы синхронизации.
4.5 Алгоритм цифровой (программной) реализации системы слежения за
задержкой (ССЗ), эмулирующий управляемый генератор псевдослучайной последовательности (УГПСП) с переменной частотой тактового сигнала.
5. Научная новизна работы заключается в следующем:
5.1 Предложено применять интегральный подход к разработке алгоритма
поиска, учитывающий взаимодействие структурных элементов системы синхронизации.
5.2 Разработан алгоритм поиска с верификацией, осуществляющий полное использование информационной избыточности принятого сигнала, а также
позволяющий осуществить уточнение оценки задержки на контрольном этапе и
минимизировать целевую функцию по всем параметрам.
4
5.3 Разработана методика определения оптимального значения длительности анализа принятого ШПС на этапе верификации.
5.4 Проведён анализ статистических характеристик процедуры селекции
точки с максимальным откликом и исследовано её влияние на взаимодействие
структурных элементов системы синхронизации.
5.5 Разработан алгоритм программной реализации ССЗ, эмулирующий
управляемый ГПСП с переменной частотой тактового сигнала.
6. Методы исследований. Задачи исследования решаются при помощи
методов теории обнаружения сигналов, теории оптимальной фильтрации, теории автоматического управления, теории направленных графов, теории марковских цепей и порождающих функций, методов математического и имитационного моделирования.
7. Достоверность научных выводов подтверждается:
7.1 Согласованностью результатов исследований с известными из научных источников данными.
7.2 Подтверждением найденных аналитических зависимостей результатами математического и имитационного моделирования.
8. Практическая значимость работы:
8.1 Предложенный подход к разработке алгоритмов временной синхронизации ШПС, учитывающий практические аспекты функционирования системы
синхронизации и взаимодействия её структурных элементов, может быть использован на практике при проектировании эффективных систем синхронизации ШПС по времени.
8.2 Практическая реализация синтезированного алгоритма поиска в СПИ
с ШПС позволит снизить среднее время вхождения в синхронизм, при этом,
минимизируя требования к объёму аппаратных затрат для реализации системы
поиска.
8.3 Предложенный способ оценки параметров поиска может быть использован в ходе практических разработок систем синхронизации с ШПС, что приведёт к сокращению времени проектирования таких систем и позволит повысить их рабочие характеристики.
8.4 Разработан алгоритм функционирования УГПСП, позволяющий реализовать ССЗ и систему синхронизации по задержке в целом исключительно на
цифровой элементной базе.
8.5 Построенная имитационная модель системы временной синхронизации в СНС, содержащая разработанный алгоритм поиска и алгоритм программной реализации УГПСП, может быть использована при разработке и анализе
систем синхронизации ШПС по задержке.
9. Внедрение результатов работы:
9.1 НИР, проводимые на кафедре СМ-5 «Автономные информационные и
управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана[2-4].
9.2 Учебный процесс, проводимый на кафедре СМ-5 «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана – в виде
цикла лабораторных работ по оптимальной фильтрации по курсу «Статистическая радиотехника» и главы «Широкополосные сигналы и системы» в учебном
5
пособии «Синхронизация в радиосвязи и радионавигации», Шахтарин Б.И., и
др. ГЕЛИОС АРВ, М.: 2007. - стр. 123-145.
10. Апробация работы:
Основные научные результаты, полученные в ходе работы докладывались
и обсуждались на:
62-й и 63-й Научных сессиях, посвящённых дню радио, Российского
научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.
Попова в 2007 и 2008 гг.
Всероссийской конференции молодых учёных и специалистов «Будущее
машиностроения России» в 2008 г.
11. Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационного исследования изложены в работах [1-12], из них 3 отчёта НИР, 6 статей по перечню ВАК, 3 тезиса докладов на всероссийских конференциях.
12. Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырёх глав, заключения, списка литературы и изложена на 167 страницах,
включает 58 рисунков. Список использованных источников содержит 101
наименование.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи
исследования, приведёны обзор и анализ литературы по теме диссертации.
Определены положения, выносимые на защиту и научная новизна работы.
В первой главе приведено описание основных свойств ШПС. ШПС формируется путём свёртки исходной последовательности информационных бит
d (t ) с псевдослучайной последовательностью (ПСП) g (t ) , полученной на выходе сдвигового регистра – генератора ПСП (ГПСП). Решаемые в работе задачи
призваны повысить рабочие характеристики приёмников СНС ГЛОНАСС –
рис. 1.
Сегмент потребителя
Орбитальный сегмент СНС
d (t )
Х
Х
s (t )
g (t )
ГПСП
Генератор
несущей
Канал
y (t )
Синхронизация:
поиск, слежение
g (t  Tˆl )
Демодуляция.
Решение
навигационной
задачи.
Рис. 1. Структурная схема СПИ с ШПС
Согласно общим принципам синхронизации ШПС в СНС в работе рассматривается только процедура поиска ШПС по времени задержки. Задача повышения рабочих характеристик СПИ с ШПС сводится к минимизации среднего времени вхождения в синхронизм, а среднее время поиска рассматривается в
качестве основного критерия эффективности алгоритмов поиска ШПС. Полагается, что начальная фаза ШПС является случайной, а априорная информация о
положении пика модуля ФН на области неопределённости отсутствует. В этом
случае поиск ШПС будет осуществляться по схеме, отражённой на рис. 2. На
6
рис. 2. ОГ – опорный генератор, необходимый для выделения двух квадратур
сигнала y (t ) - I y (t ) и Qy (t ) , где y (t )  s(t  Tl )  n(t ) ,
s(t  Tl )  2Ps d (t  Tl ) g (t  Tl ) cos((с  2f д )(t  Tl )   ) ,
с  2f с , f д - частота доплеровского сдвига, Ps - мощность ШПС,  неизвестная начальная фаза сигнала, n(t ) - аддитивный гауссовский белый
2
2
шум. I dn
(t ) и Qdn
(t ) - соответственно синфазная и квадратурная компоненты
принятой информационной составляющей d (t  Tl ) . Полагается, что подсистема поиска по частоте частично устранила неопределённость по f д .
X
ФНЧ
I y (t )
M g
X
cos 2f сt
 2

I dn2 (t )
0
g (t  Tˆl )
ОГ
y (t )

2
П
sin 2f сt
X

x(t )
+
2
dn
Q (t )
ФНЧ
Qy (t )
M g
 2

X
0
g (t  Tˆl )
ГПСП
Управление
поиском
Р
ис. 2. Схема некогерентного поиска ШПС
Вероятность успешной синхронизации запишется как P'd  Pho Pd , где Pho вероятность успешной передачи управления от подсистемы поиска к ССЗ, Pd вероятность успешного окончания поиска. Для разработки эффективного алгоритма синхронизации ШПС необходимо учитывать параметры и влияние всех
подсистем, входящих в схему синхронизации, а также связей между ними. В
работе предложен интегральный подход, позволяющий учесть все особенности
практической реализации СПИ с ШПС. На основе предложенного подхода введено представление системы синхронизации в виде марковской цепи с конечным числом состояний, описываемой направленным графом. На рис. 3 представлена полученная в работе обобщённая модель системы синхронизации в
виде направленного графа, где S - начальное состояние системы, H - состояние успешного обнаружения (осуществлена предварительная оценка задержки),
D - состояние успешного захвата (начало процедуры демодуляции информационного сигнала).
Pho  z Tз 
1  z T 
S
H
D
1  Pho   z T 
з
Рис. 3. Направленный граф системы синхронизации ШПС
7
На основе аппарата производящих функций определено соотношение для среднего времени синхронизации, определяющего целевую функцию системы:
 T    Tз 
,
(1)
 TD 
Pho
где  T  - среднее время до успешного окончания поиска,  Tз  - среднее
время до успешного захвата.
Ширина основного пика ВКФ сигнала равна 2 g . Случай, когда шаг по-
g
, отражён на рис. 4. Для данного шага анализа на основной пик
2
ВКФ будет попадать 4 точки. Таким образом, можно сделать вывод о наличие в
статистике x(t ) информационной избыточности, которую можно использовать
для повышения рабочих характеристик системы поиска ШПС. Ненулевая информационная избыточность позволяет снизить энтропию источника, и, как
следствие, повысить достоверность оценки времени задержки. Значение порогового уровня в работе принято равным 0.5.
иска равен
R ( )
П  0,5

 g   g 0

 g  g
2
2
Рис. 4. АКФ ШПС с отмеченными точками возможного обнаружения
В заключение главы приведён анализ существующих решений. На его основе сделан вывод о возможности повышения рабочих характеристик систем
синхронизации при учёте указанных особенностей функционирования систем
поиска ШПС по задержке. Отмечена необходимость создания алгоритма поиска
для СПИ в СНС, полностью использующего информационную избыточность,
позволяющего осуществить уточнение оценки задержки на контрольном этапе,
а также основанного на учёте взаимодействия элементов системы синхронизации в СПИ с ШПС.
Во второй главе предложен алгоритм поиска с верификацией, позволяющий полностью использовать информационную избыточность принятого сигнала, а также осуществить селекцию ячейки, соответствующей минимальному
Tl  Tˆl
   1 . Поскольку в работе ставится задача создания
рассогласованию
g
эффективного алгоритма поиска, не требующего существенных аппаратных за8
g
.
2
Предлагаемая в работе процедура верификации заключается в анализе на интервале времени 0.. M v g ( M v  M ) двух ячеек, граничащих с той, в которой
произошло превышение нормированного порога  с последующим принятием
g
g
решений 1 и  2 соответственно для задержек  1   0 
и  2   0  . Шаг
4
4
g
анализа на этапе верификации равен   . Такой шаг анализа приводит к то4
му, что выше порогового уровня   0.5 могут оказаться обе точки, соответствующие анализируемым на этапе верификации ячейкам. Таким образом,
применяется решающее правило, по которому система примет решение об
окончании поиска лишь в том случае, если пороговое значение превышено во
всех трёх точках. Кроме того, как было показано, уточнение оценки, обеспечиваемое уменьшенным шагом на этапе верификации, позволит упростить задачу
захвата сигнала в ССЗ. При этом на вход системы слежения поступает информация о задержке ПСП, соответствующей максимальному отклику x (Tˆl ) (для
наглядности первый аргумент у x опущен):
(2)
Tˆl  arg maxx( 0 ), x( 1 ), x( 2 ).
трат, за основу принята система простого циклического поиска с шагом
x
Руководствуясь приведённой моделью поведения системы, составлен её
граф переходов. Для получения безусловной зависимости среднего времени
поиска введено представление системы поиска ШПС в виде марковской цепи с
одним поглощающим состоянием H и «штрафом» за ложное окончание поиска
Tp g . На рис. 5 представлен модифицированный граф предложенной системы
поиска для данного случая, где H – успешное завершение поиска и верификации.
Учёт влияния остаточного рассогласования на ОСШ на входе ССЗ осуществлён при помощи известного выражения, определяющего среднеквадрати1
ческое отклонение (СКО) ошибки оценки:  j   N2   sj2 , где  N2 - дисперсия
2
2
2
аддитивного ГБШ,  sj  E g M .
9
C (z )
S
A(z )
A...
(z )
3
m-2
T (z )
m-1
C (z )
m
z)
2
1
m
1
m
1
m
S(
z)
D(
T (z )
1
...
1
m
1
m
D(z )
1
m
H
S (z )
Рис. 5. Граф системы поиска с верификацией с одним поглощающим состоянием
Для представления системы в виде графа на рис. 5 передаточные функции ветвей примут вид
T T T
A( z )   v2 z v p  (1   ) z T   (1   v2 ) z T Tv ,
C ( z )  1 z T  (1  1 )(  2v   2v  3v   3v ) z T Tv ,
D( z )  (1  1 ) z T (1   2v )(1   3v ) z Tv , S ( z )   v (1   4 )(1   2v ) z T Tv ,
(3)
T ( z )   4 z T  (1   4 )(1   v   v  2v ) z T Tv .
Вероятности пропуска и ложной тревоги, введённые в выражениях (3)
рассчитываются по формулам:
 ' 
  '

  
 ,  iv  1  Q1  iv ,   , (4)
  exp  2  ,  i  1  Q1  i ,
 

 

 2 
 i i 
 i i 
где i '  T 2 (1  ji ) 2 , iv '  Tv2 (1  ji ) 2 , T , Tv - длительности анализа на основном и контрольном этапах соответственно,

 x2  a2 
I 0 (ax)dx .
Q1 (a, b)   x exp 
2
b


Значения
рассогласований
равны:
 j 2  0.5 , j1  0.25 , j 3  0.125 , j 4  0.75 . Передаточная функция графа, описывающего предложенный алгоритм из начального состояния S в состояние H
(успешное завершение поиска) записывается как
 m4


D( z )(2  C ( z ))  ( S ( z )  T ( z ) D( z )(1  C ( z )))   Ai ( z )   A m4 ( z )T ( z )

 i 0

H v ( z) 
2
2
m4
m(1  C ( z )T ( z ) A ( z ))


C ( z ) C ( z ) S ( z )(1  T ( z )(1  A m4 ( z )))  ( S ( z )  T ( z ) A m4 ( z ))( S ( z )  T ( z ) D( z ))  S ( z )
. (5)

m(1  C 2 ( z )T 2 ( z ) A m4 ( z ))
В результате подстановки (3) в (5) получены выражения для передаточных
функций системы поиска с верификацией.
10
На рис. 6 представлен полученный в работе график зависимости  T  от
ОСШ, позволяющий осуществить сравнительный анализ предложенного решения и наиболее близкого аналога – классической системы двухэтапного поиска
для следующих параметров m  2046 , T  100 g , П  0.5 ,  g  1мкс , Tv  350 g .
Из представленных результатов следует, что при равных параметрах системы,
предложенный алгоритм с верификацией, превосходит классическую систему
двухэтапного поиска.
В заключение главы предложена методика, позволяющая определить
длительности анализа T и Tv исходя из требования минимизации среднего времени поиска при фиксированных остальных параметрах системы. На рис. 7
приведена зависимость среднего времени поиска от количества ячеек, анализируемых на этапе верификации и ОСШ на входе приёмника для предложенного
алгоритма поиска с верификацией для m  2046 , T p  1024 g ,  g  1мкс ,
Tv  5T . Для диапазона ОСШ правило нахождения оптимального значения количества анализируемых на этапе верификации ячеек области неопределённости запишется в виде


M vopt  arg min   T  ( M v )
,
Mv


 M const
где  принимает значения, равные ОСШ.
12
<T>,чип
x 10
5
11
10
1
9
2
8
3
7
4
6
5
4
-22
-21
-20
-19
-18
-17 ОСШ,дБ
Рис. 6. Зависимость среднего времени поиска от ОСШ: 1 – система двухэтапного поиска, Tp  1024 g ; 2 – предложенный алгоритм, Tp  1024 g ; 3 – система
двухэтапного поиска, Tp  512 g ; 4 – предложенный алгоритм, Tp  512 g
11
x 10
5
9
<T>, чип
8
7
6
5
4
3
2
-20
-18
ОСШ, дБ
-16
-14
500
400
300
200
100
0
M , чип
v
Рис. 7. Зависимость среднего времени поиска от ОСШ и количества анализируемых на этапе верификации чипов ШПС M v
В третьей главе рассмотрена процедура селекции ячейки области неопределённости, соответствующей минимальному рассогласованию и максимальному ОСШ на входе ССЗ.
Вероятность выбора значения задержки  , соответствующего максимальному отклику на выходе коррелятора, равна 1  Pош , где Pош - вероятность ошибочного распознавания значений x(t , 0 ) и x(t , 1 ) .
Плотность распределения для x0 и x1 описывается соотношением:
 j  x   jx 
1

I  2  ,
p( x j ) 
exp
2
2  0



2 j
 2 j    j 
где j  0,1 - для случайных величин x0 и x1 соответственно. Вероятность ошибки равна

Pош   p( x0 ) P( x1  X 0 )dX 0 ,
(6)
П
где
 
X0 
.
P( x1  X 0 )  Q1  1 ,
 

 1 1 
Поскольку случайные величины x0 и x1 рассчитываются в разные моменты
времени, они являются независимыми. Так как выбор максимума осуществляется по правилу (2), вероятность итоговой ошибки селекции точки, соответствующей минимальному рассогласованию оценки задержки и её истинного
значения записывается в следующем виде
m
Pош
 1  (1  Pош1 )(1  Pош2 ) ,
12
где Pош1 определяется из соотношения (5), а вероятность Pош 2 определяется по
аналогии с изложенной схемой для случая равнения x0 и x(t  M , 2 )  x2 . На
m
рис. 8 представлена полученная в работе зависимость вероятности ошибки Pош
для предложенной схемы селекции от отношения сигнал-шум на входе решающего устройства (на выходе коррелятора).
Далее определено влияние селекции на повышение Pho . Полученное выражение для относительного выигрыша в вероятности Pho в случае выбора
ячейки с максимальным откликом записывается в следующем виде
m
2(a  Pош
(1  a))
,

1 a
PH
где a  0 , PH1 - вероятность захвата в точке x ( 1 ) , а PH 0 - вероятность захвата
PH1
в точке x( 0 ) .
10
P
0
m
ош
10
10
10
10
10
-1
-2
-3
-4
-5
10
12
14
16
18
20
22 ОСШ, дБ
Рис. 8. Зависимость вероятности ошибки выбора максимума от ОСШ, усреднённая по 0    0.125 для шага  s   g / 4 ,  g  1 мкс , M  1023
Для оценки уменьшения  TD  (4), вызванного снижением начального
рассогласования и дисперсии ошибки на входе ССЗ исследована работа ССЗ
при различных начальных условиях на фоне помех. Аналитическое решение
данной задачи является весьма затруднительным, вследствие чего применяется
моделирование методом Монте-Карло. В качестве ССЗ в работе рассматривается система слежения второго порядка, структура которой получена на основе
методов теории оптимальной нелинейной фильтрации. Параметры следящего
контура были определены на основе теории автоматического управления.
В заключение главы предложен алгоритм программной реализации связки опорного генератора тактовой частоты и генератора ПСП (данная связка в
дальнейшем обозначается как УГПСП – управляемый ГПСП), позволяющий
13
существенно снизить фазовый шум опорной ПСП в сравнении с существующим аналогом.
задать  0 , g (0,..., L  1)
УГПСП реализован в виде блока
j  0, k  0,~gj   g ,
расчёта моментов времени  r , соr  0, сr  0
ответствующих границам чипа
опорной ПСП (длительность каждого чипа равна ~g и изменяется 1
раз в t s секунд в соответствие со
Tk  kTs
значением на выходе контурного
фильтра F (z ) ), соединённого с моr  r 1
0
дулем, определяющим принадлежTk   r
 r   r 1  ~gj
ность каждого отдельно взятого
сr  cr 1  1
1
отсчёта Tk  kTs тому или иному
чипу ПСП. При этом значения
g~ (k )  g (cr )
ПСП можно хранить в памяти, выбирая из неё значение для текущего отсчёта с частотой Fs  1 / Ts .
k  k 1
Блок-схема предложенного алгоритма представлена на рис. 9.
0
Предложенный алгоритм проkK
граммного формирования опорной
1
ПСП позволяет снизить фазовый
j  j 1
шум максимум на 10 lg( В) дБ, где
1
В - количество разрядов, отводи~gj 
1
 kv vlf ( j )
мых для представления Ts , в сравg
нении с существующими способами и повысить точность синхронизации. Применение разработанного
 0   r  (~gj  ~g ( j 1) )
алгоритма УГПСП позволит реалис0  cr
зовать систему синхронизации по
r 0
задержке в СПИ с ШПС исключительно цифровыми методами.
Рис. 9. Блок схема предложенного алгоритма, реализующего УГПСП
В четвёртой главе разработана имитационная модель СПИ с ШПС, отражающая особенности применения таких систем в СНС. Исходя из известных
параметров СНС, а также планов модернизации СНС ГЛОНАСС и GPS, были
выбраны следующие параметры ШПС:  g  1 мкс, m  2046 , f д  1 кГц. Далее
осуществлён анализ функционирования имитационной модели СПИ с ШПС на
предмет определения повышения вероятности Pho и снижения времени  TЗ  в
случае применения предложенного в работе алгоритма поиска. Полученные результаты представлены на рис. 10, 11.
14
<Tз>,с
1
0.08
2
0.06
3
4
0.04
5
0.02
6
0
-18
-17
-16
-15
-14
-13 ОСШ, дБ
Рис. 10. Зависимость среднего времени захвата от ОСШ. 1- f д  6 кГц,
  0.25 ; 2 – границы доверительного интервала; 3 - f д  6 кГц,   0.125 ; 4 –
границы доверительного интервала; 5 – f д  0 кГц,   0.25 ; 6 – f д  0 кГц,
  0.125
1
P
H
0.9
1
0.8
2
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
-22
-21
-20
-19
-18
-17
-16
-15 ОСШ, дБ
Рис. 11. Зависимость вероятности захвата от ОСШ. 1 - PH 0 , 2 - PH1
Исследование работы имитационной модели ССЗ показало, что процедура селекции ячейки с максимальным значением ВКФ, осуществляемая на заключительном этапе работы предложенного алгоритма поиска, позволяет повысить вероятность Pho успешной передачи управления синхронизмом от схемы поиска к ССЗ и снизить среднее время захвата  TЗ  сигнала в ССЗ.
15
Результаты имитационного моделирования представлены на рис.12, 13.
10
P
0
1
fa
2
10
-1
3
10
10
10
4
-2
-3
-4
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7 ОСШ, дБ
Рис. 12. Зависимость вероятности ложного окончания поиска от ОСШ. 1- алгоритм Ханзо ( T  160 g ), 2 - алгоритм двухэтапного поиска ( T1  150 g ,
T2  250 g ), 3 - алгоритм трёхэтапного поиска ( T1  150 g , T2  200 g ,
T3  250 g ), 4 – предложенный алгоритм поиска с верификацией ( T  150 g ,
Tv  250 g )
4.5
<T>, чип
4
x 10
7
1
3.5
3
2
2.5
3
2
1.5
4
1
0.5
0
-20
-19.5
-19
-18.5
-18
-17.5
-17
-16.5 ОСШ, дБ
Рис. 13. Зависимость среднего времени до успешного окончания поиска от
ОСШ для TP  0.1c . 1 – алгоритм трёхэтапного поиска ( T1  150 g , T2  200 g ,
T3  300 g ), 2 - границы доверительного интервала, 3 – предложенный алгоритм поиска с верификацией ( T  150 g , Tv  500 g ), 4 - границы доверительного интервала
16
В качестве аналогов для сравнительного анализа эффективности предложенного в работе алгоритма рассматриваются двух- и трёхэтапные схемы поиска, поскольку они являются эффективными в смысле обозначенного критерия и
не требуют существенных аппаратных затрат, а также алгоритм, предложенный
Ханзо, поскольку последний осуществляет частичное использование информационной избыточности а также не обладает существенными аппаратными затратами. Как следует из полученных результатов, предложенный алгоритм поиска с верификацией позволяет снизить значение среднего времени поиска
 T  , в сравнении с аналогами, и минимизирует целевую функцию системы
синхронизации (1) по всем трём аргументам.
В заключительной части главы представлен вариант практической реализации системы синхронизации, содержащей предложенный алгоритм поиска и
ССЗ, включающей в себя разработанную схему реализации УГПСП. Отражено,
что рост аппаратных затрат в случае применения предложенного в работе алгоритма поиска является пренебрежимо малым. Показано, что предложенный алгоритм поиска с верификацией может быть элементом масштабируемой схемы
и являться основой более сложного вычислительного комплекса, осуществляющего синхронизацию по задержке в СПИ с ШПС.
В заключении отражены основные итоги работы. Перечислены результаты решения инновационных задач. Обозначены направления дальнейших исследований.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В ходе диссертационного исследования получены следующие результаты:
1. Получена целевая функция, учитывающая взаимодействие между
структурными элементами системы синхронизации ШПС по задержке.
2. На основании теоретических выводов и результатов имитационного
моделирования показано, что уточнение оценки задержки распространения
ШПС позволяет снизить среднее время захвата сигнала в ССЗ, а также повысить вероятность успешной передачи управления синхронизмом от системы
поиска контуру слежения.
3. Исходя из критерия минимизации аппаратных затрат, разработан алгоритм поиска ШПС по задержке, осуществляющий полное использование информационной избыточности и уточнение оценки задержки на этапе верификации. Предложенный алгоритм поиска, в сравнении с существующими аналогами, позволяет минимизировать целевую функцию системы синхронизации по
всем параметрам, и, тем самым, снизить среднее время вхождения в синхронизм.
4. Разработана процедура определения параметров предложенного алгоритма, позволяющих минимизировать среднее время до успешного завершения
поиска.
5. Разработан алгоритм цифровой (программной) реализации связки ГУНГПСП, входящей в состав ССЗ и схемы поиска. Предложенный алгоритм позволяет снизить фазовый шум опорной ПСП в сравнении с существующими
аналогами. Представлена схема практической реализации системы синхрониза17
ции по задержке в СПИ с ШПС на элементной базе ЦОС, эффективно сочетающая предложенные в работе решения.
Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:
1.
Сидоркина Ю.А., Черныш А.В. Моделирование генераторов псевдослучайных последовательностей // Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника. – 2004. – №79. – С. 63-71.
2.
Анализ и синтез систем связи / МГТУ им. Н.Э. Баумана. Рук. Шахтарин Б.И., исп.: Черныш А.В. и др. № ГР 02.200508691. – М., 2005. – 187 с.
3.
Методы анализа и синтеза радиотехнических систем / МГТУ им.
Н.Э. Баумана. Рук. Шахтарин Б.И., исп.: Черныш А.В. и др. № ГР 02.200307832.
– М., 2003. – 231 с.
4.
Синхронизация в радиосвязи и радионавигации / МГТУ им. Н.Э.
Баумана. Рук. Шахтарин Б.И., исп.: Черныш А.В. и др. № ГР 01.200710182. –
М., 2007. – 285 с.
5.
Шахтарин Б.И., Черныш А.В. Алгоритм верификации результатов
поиска шумоподобных сигналов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. – 2006. – №2(63). – С. 67-78.
6.
Черныш А.В. Анализ модифицированного алгоритма поиска шумоподобных сигналов // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Сер. Научная сессия, посвящённая дню радио. – 2007. – № 62. – С. 216-218.
7.
Шахтарин Б.И., Черныш А.В. Исследование статистических характеристик систем поиска шумоподобных сигналов // Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Приборостроение. – 2008. – №4(73). – С. 78-87.
8.
Черныш А.В. Практическая реализация алгоритма верификации результатов поиска ШПС // Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника. – 2006. – №107. – С. 126-131.
9.
Шахтарин Б.И., Черныш А.В. Анализ среднего времени поиска шумоподобных сигналов для систем с одним поглощающим состоянием
//
Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Приборостроение. – 2009. – №3(76). – С. 120129.
10. Черныш А.В. Анализ и определение временных параметров системы поиска шумоподобных сигналов // Труды Российского научно-технического
общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Сер. Научная
сессия, посвящённая дню радио. – 2008. – № 63. – С. 123-125.
11. Черныш А.В. Повышение рабочих характеристик защищенных систем связи с шумоподобными сигналами // Будущее машиностроения России:
Всероссийская конференция молодых учёных и специалистов (М.). - 2008. С.
243-244.
12. Шахтарин Б.И., Черныш А.В. Исследование рабочих характеристик
систем некогерентного поиска шумоподобных сигналов // Радиотехника и электроника. – 2009. – Т. 54, № 7. – С. 1-8.
18