Имитационная модель системы передачи информации в условиях гидроакустической среды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ОРЛОВ Игорь Алексеевич

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОИ СРЕДЫ

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Институте проблем передачи информации Российской Академии Наук.

Научный руководитель: доктор технических наук И. П. Левшин

Официальные оппоненты: член-корр. РАЕН, доктор технических наук, профессор Ю. Е. Сидоров доктор технических наук, профессор Л. Ф. Бородин

Ведущая организация: Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева

Защита диссертации состоится в " 10 " час. на заседании специализированного совета Д.002.74.03 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, Москва, ГСП-3, Моховая, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники и электроники РАН.

Автореферат разослан С* £7^¿.етЦ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат физико-математических наук.с2£11 И. Перцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Акустические сигналы широко используются для исследования океанической среды и практических задач, таких, как подводная связь, морская сейсмология, дистанционное обнаружение объектов, акустический мониторинг океана. Океаническая среда характеризуется разнообразием физических факторов, вызывающих искажение сигналов при распространении их в среде. Это наличие зон освещенности и тени, стохастическая и детерминированная многолучевость, ярко выраженные допплеровские искажения принимаемых сигналов, изменения во времени и пространстве передаточных функций среды, наличие высоких уровней аддитивных шумов. Все это приводит к тому, что применение методов построения систем передачи информации, разработанных для высокочастотных радиоканалов в условиях гидроакустической среды не позволяет построить надежную помехоустойчивую систему приема-передачи сигналов. В системах передачи информации (СПИ) с тональной модуляцией даже в отсутствии аддитивных шумов возникают неустранимые ошибки при приеме. Известны адаптивные СПИ с шумоподобными сигналами (ШПС), в которых используется испытательный сигнал для измерения параметров канала и осуществляется коррекция искажений принятых сигналов посредством компенсации задержек сигналов в отдельных лучах при приеме. Несмотря на это, в таких СПИ также возникают неустранимые ошибки при приеме в отсутствии аддитивных шумов. Использование методов более полной адаптивной коррекции искажений сигнала в СПИ с ШПС путем когерентного сложения выделенных запаздывающих сигналов отдельных лучей и частичной компенсации допплеровских искажений сигналов микролучей, позволяет избавиться от неустранимых ошибок при приеме в отсутствии аддитивных помех, но не приводит к достаточной помехоустойчивости СПИ к аддитивным помехам. Это затрудняет проектирование СПИ с заданным

уровнем помехоустойчивости исходя из сигнально-помеховых ситуаций в конкретных задачах: прием-передача в зонах освещенности и тени при движении корреспондентов, прием-передача в условиях, когда уровень информационных сигналов ниже уровня фоновых аддитивных шумов, прием-передача на больших дальностях при движении корреспондентов и т.д. Недостаточная помехоустойчивость адаптивных СПИ обусловлена тем, что в условиях гидроакустической среды передачи информации (ГАСПИ) величина базы сигналов таких СПИ не может превышать некоторой фиксированной величины. Эта критическая величина базы сигналов определяется, с одной стороны, ограниченным частотным диапазоном используемых сигналов (низкое акустическое затухание сигналов в окне прозрачности ГАСПИ: 10-300гц.). С другой стороны, длительность используемых сигналов не может превосходить или быть соизмеримой с периодом корреляции передаточной функции ГАСПИ во времени. Это происходит потому, что изменчивость передаточной функции ГАСПИ во времени приводит к уменьшению точности оценок параметров канала, необходимых для адаптивной подстройки согласованного фильтра приемника к информационным сигналам.

Другой аспект проблемы применения СПИ с ШПС в условиях ГАСПИ - ограничение базы сигналов и значительное рассеяние сигналов лучей по задержкам, создает невозможность общей жесткой синхронизации СПИ (отсутствует возможность точного нахождения моментов времени, соответствующих началу и концу очередной передаваемой сигнальной посылки). Помимо этого, важен вопрос о защите СПИ против коррелированных помех, который может оказаться определяющим при принятии решения о пригодности СПИ в реальных сигнально-помеховых условиях ГАСПИ.

При разработке СПИ необходимо сочетание аналитических исследований СПИ в условиях ГАСПИ с натурными испытаниями. Однако

проведение аналитических исследований связано с большими трудностями из-за нестационарности случайных процессов, описывающих смесь сигналов с шумами на входе приемной системы, и наличия нелинейностей в алгоритме приемной системы, разрабатываемой СПИ. Натурные испытания требуют значительных материальных затрат. Поэтому оптимальным методом исследований в этой ситуации является имитационное машинное моделирование СПИ, ГАСПИ, их взаимодействия и построение на основе таких моделей автоматизированной системы измерения помехоустойчивости СПИ в условиях ГАСПИ. Этот метод исследования является универсальным и позволяет исследовать поведение СПИ при любых известных условиях ГАСПИ.

Цель работы. Целью работы является разработка имитационной модели и исследование на ее основе высоко помехоустойчивой СПИ, малочувствительной к основным искажающим факторам ГАСПИ. СПИ должна обладать нежесткой синхронизацией, допускать движение корреспондентов, иметь защиту от коррелированных помех, обладать возможностью увеличивать помехоустойчивость при увеличении базы сигналов за счет увеличения их длительности в условиях частотно-временной изменчивости передаточной функции ГАСПИ до достижения заданных уровней помехоустойчивости.

Указанная выше цель работы достигается в результате решения следующих задач:

1. Анализа основных искажающих факторов ГАСПИ.

2. Разработки ансамбля передаваемых сигналов с оптимальным видом модуляции, устойчивой к искажениям ГАСПИ.

3. Разработки алгоритма приемной системы, компенсирующей искажающее влияние ГАСПИ на принимаемые сигналы, достаточно устойчивого к аддитивным помехам при использовании ШПС с большой базой.

-44. Разработки имитационных машинных моделей СПИ и ГАСПИ.

5. Разработки имитационной машинной модели автоматизированной системы испытаний помехоустойчивости (АСИП) предложенного алгоритма СПИ на базе комплекса имитационных моделей СПИ, ГАСПИ и модели их взаимодействия.

6. Проведении машинных экспериментов на АСИП по исследованию помехоустойчивости разработанного алгоритма СПИ при заданных параметрах ГАСПИ.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты:

1. Разработан новый алгоритм и имитационная машинная модель СПИ. Особенностью алгоритма является возможность повышения помехоустойчивости СПИ за счет увеличения базы сигналов при увеличении их длительности в условиях частотно-временной изменчивости передаточной функции ГАСПИ. Алгоритм обеспечивает устойчивую работу СПИ при движении корреспондентов, защигу от коррелированных помех, позволяет вести прием с нежесткой синхронизацией, обеспечивает достижение уровней помехоустойчивости, необходимых в возможных сигнально-помеховых ситуациях ГАСПИ.

В основе предложенного алгоритма СПИ лежит известный относительный метод приема-передачи с модуляцией расстояний между максимумами автокорреляционной функции (АКФ) ШПС. Отличительные особенности модифицированного алгоритма СПИ обусловлены двумя принципиальными дополнениями:

а) Разработкой специального ансамбля сигналов, устойчивого к допплеровским искажениям сигналов при приеме и к коррелированным помехам (элементарные сигналы генерируются на основе логарифмической фазовой модуляции (ЛФМ-сигналы)).

б) Модификацией алгоритма относительного приема специальными дополнительными блоками предварительной обработки входных смесей

искаженных сигналов с помехами на входе приемника, (согласованный фильтр (СФ), пороговый нелинейный элемент (НПЭ) с величиной порога, пропорциональной максимуму модуля реакции СФ на длине анализа приемника Та).

2. Разработана методика приближенного вычисления реакции модели эквивалентного фильтра одного луча (ЭФОЛ) ГАСПИ на передаваемый сигнал.

3. Разработана имитационная машинная модель автоматизированной системы испытаний помехоустойчивости (АСИП) СПИ в условиях ГАСПИ на основе моделей СПИ, ГАСПИ и модели их взаимодействия, реализованная на ЭВМ типа IBM/AT/386 и ЭВМ типа SPARC с заданием исходных параметров ГАСПИ и СПИ в интерактивном режиме.

4. Проведены эксперименты по измерению помехоустойчивости разработанной модели СПИ в условиях ГАСПИ на АСИП.

Практическая ценность.

1. Разработан новый алгоритм и имитационная модель СПИ. Алгоритм малочувствителен к основным искажающим факторам ГАСПИ, прием сигналов осуществляется в режиме с нежесткой синхронизацией, допускается движение корреспондентов, предусмотрена защита от коррелированных помех с возможностью увеличивать помехоустойчивость при увеличении базы сигналов за счет увеличения их длительности в условиях частотно-временной изменчивости передаточной функции ГАСПИ. Разработанный алгоритм СПИ позволяет проектировать СПИ в условиях ГАСПИ с заданным уровнем помехоустойчивости в следующих задачах:

а) при приеме-передаче в зонах освещенности и тени с учетом движения корреспондентов;

б) при приеме-передаче на больших дальностях с учетом движения корреспондентов;

-6в) при приеме-передаче в условиях, когда уровень информационных сигналов ниже уровня коррелированных преднамеренных аддитивных шумов;

г) при приеме-передаче в условиях, когда уровень информационных сигналов ниже уровня фоновых аддитивных шумов.

2. Разработана методика приближенного вычисления реакции модели ЭФОЛ ГАСПИ на передаваемый сигнал. Разработка этой методики позволила решить техническую задачу разработки имитационной модели взаимодействия известной модели ГАСПИ с имитационной моделью предложенного алгоритма СПИ, предусмотрев возможность включения имитационных моделей иных СПИ.

3. Разработана имитационная машинная модель автоматизированной системы испытаний помехоустойчивости (АСИП) СПИ в условиях ГАСПИ на основе моделей СПИ, ГАСПИ и модели их взаимодействия на ЭВМ, начиная с IBM/AT/386 и выше, и ЭВМ типа SPARC с заданием исходных параметров ГАСПИ и СПИ в интерактивном режиме. АСИП позволяет проводить испытания в автоматическом режиме на помехоустойчивость разнообразных СПИ в условиях ГАСПИ (при разработанной имитационной модели СПИ в форматах АСИП). При минимальнй модификации алгоритмов АСИП возможно исследование других параметров СПИ на машинной модели АСИП. Таким образом, АСИП позволяет оптимизировать разработку СПИ в условиях ГАСПИ.

Результаты диссертационной работы использовались при проведении:

а) НИР Г.Р.№ 01.9.70001623 (1997-1998 гг.),

б) НИР "ТОТАН-АН" (1993-1996 гг.), отражены в 6 отчетах, принятых Госзаказчиком).

Положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм высоко помехоустойчивой СПИ в условиях ГАСПИ,

малочувствительной к основным искажающим факторам ГАСПИ, допускающей движение корреспондентов, имеющей защиту от коррелированных помех, обладающей возможностью увеличивать помехоустойчивость при увеличении базы сигналов за счет увеличения их длительности в условиях частотно-временной изменчивости передаточной функции ГАСПИ, работающей в режиме приема с нежесткой синхронизацией.

2. Методика вычисления приближенного значения реакции модели ЭФОЛ ГАСПИ на передаваемый сигнал.

3. Алгоритм имитационной модели автоматизированной системы испытаний помехоустойчивости СПИ в условиях ГАСПИ.

4. Результаты испытаний помехоустойчивости предложенного алгоритма высоко помехоустойчивой СПИ в условиях ГАСПИ на имитационной машинной модели АСИП.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на II Международном симпозиуме: "Проблемы экоинформатики" (Москва - 1994 г.), на XXIII Международной конференции: "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", 1Т+5Е'96 (Украина, Ялта-Гурзуф, 1996 г.), на XXIV Международной конференции: "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", 1Т+8Е'97 (Украина, Ялта- Гурзуф, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы (список в конце автореферата).

Структура диссерташш. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения со своими списками литературы.

Объем диссертации 139 страниц машинописного текста,

25 рисунков, б таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные научные результаты, выносимые на защиту, дан краткий обзор содержания диссертации.

Первая глава содержит краткие сведения о физических особенностях ГАСПИ, ее параметрах и обзор результатов анализа помехоустойчивости адаптивных систем передачи информации в условиях ГАСПИ. Анализ помехоустойчивости адаптивных СПИ в условиях ГАСПИ проводится двумя методами:

а) математическое моделирование ГАСПИ и СПИ с анализом вероятности ошибок при приеме сообщений;

б) натурные испытания СПИ в условиях ГАСПИ, которые соответствуют условиям ПЗК в зонах освещенности и тени, условиям приповерхностного канала, условиям малых и средних дальностей.

При математическом моделировании возможен анализ помехоустойчивости только для узкополосных СПИ при малых допплеровских искажениях временного масштаба. Это происходит из-за нестационарности корреляционной функции стохастической передаточной функции () ГАСПИ при широкополосных сигналах и больших

допплеровских искажениях масштаба времени. Аналитические оценки помехоустойчивости адаптивных СПИ в условиях ГАСПИ показывают, что параметры функции рассеяния Р(т,1)) ГАСПИ по оси задержек х -

интервал Т]_, , а по оси допплеровских частот 1) - интервал В определяют рабочие границы для адаптивных СПИ. Точность оценки импульсной реакции Л(х,?) ГАСПИ зависит от частотно-временной изменчивости Н(\\),1) и определяет предельную помехоустойчивость адаптивной СПИ. Наилучшие результаты помехоустойчивости при натурных испытаниях получены в алгоритме СПИ с компенсацией задержек и допплеровских

смещений компонент многолучевого сигнала [1]. Эти результаты показывают реально достижимую величину помехоустойчивости у адаптивных СПИ в условиях ГАСПИ (1% ошибок при с/ш=-10дб и длительности сигналов =4сек с шириной спектра сигналов 256 гц). Основной технической трудностью получения высоко помехоустойчивой адаптивной СПИ в условиях ГАСПИ является ограниченность величины базы ШПС некоторой фиксированной величиной. Эта величина определяется, с одной стороны, частотным диапазоном ШПС, который ограничен окном прозрачности ГАСПИ - частотным диапазоном низкого акустического затухания ШПС. С другой стороны, длительность используемых ШПС ограничена из-за уменьшения точности оценок передаточной функции ГАСПИ при соизмеримости длительности ШПС с периодом корреляции //(ну) ГАСПИ по времени. При движении

корреспондентов эта критическая длительность ШПС также определяется пространственной изменчивостью //(н>,г,г) ГАСПИ. Значительное

рассеяние по задержкам из-за многолучевого распространения сигналов в

ГАСПИ и наличие случайных допплеровских искажений в лучах создает

невозможность осуществления надежной общей "жесткой" синхронизации в

условиях ГАСПИ. Также необходимо решить вопрос о защите СПИ в

условиях ГАСПИ от коррелированных помех.

Во второй главе разрабатывается методика вычисления

приближенного значения реакции ЭФОЛ ГАСПИ на входной сигнал

произвольной формы и имитационная модель взаимодействия ЭФОЛ

ГАСПИ с информационными сигналами СПИ. В основу методики положен

известный алгоритм [2] синтеза сигнала у(п) на выходе нестационарной

линейной системы (ЛС) с дискретной передаточной функцией //(и-' ,л) при

к

подаче на вход ЛС дискретного сигнала х(п), имеющего кратковременное преобразование Фурье (КПФ) Х(\\> ,«), согласно выражению:

. / \ . / \ + jw, m YX[W,,n)H[Wk,n)-e *

IT

О)

где суммирование по п означает сложение перекрывающихся участков результатов обратного КПФ - у(т,п) при всех значениях п, для которых вычислялось прямое КПФ от х(п),

'.Ш1Фо-1х(п)\^к,п) = ^0{п-т)'х(т)-е ] к™ , (2)

где]

m

х(п)-дискретный входной сигнал, определенный для всех моментов времени п; х(т) - отсчеты входного сигнала х(п) в окне анализа О(п). Окно анализа может быть в частности окном Хэмминга. В этой главе выражения (1) и (2) после замены переменной п на n'A п получили форму, пригодную для применения программного пакета MOCAN [3], который вычисляет реализации h(w ,п') ЭФОЛ ГАСПИ:

к

у(п) = у(т) = £ и' = 1

М-1

L-1

£ X(w n')-H\w п')-е к

к-0

. / \ м -1 -jw. m

X\w,,«')= I 0(п'-Ап-т)-х(т)-е K

k W2«=0

(3)

(4)

где Ь - новый размер обратного преобразования Фурье. п=л'Дл; Дл - шаг сдвига окна анализа О(п) по переменной л ; л' - число участков анализа на сигнале (0 ; т - номер отсчета сигнала х(п) в окне анализа, т=0,1,...М-1; М-длина окна анализа О(т) в отсчетах

переменной т; н^ - частота спектра , к - 0,1,...,К-1 Применение БПФ для

вычисления Х(ы ,п') и у(л) обеспечивается конечными пределами /с

переменной т (0 - М-1) и переменной к (0 - К-1) или (0 - Ь-1) после апериодической свертки. На основе выражений (3),(4) и реализаций

//(и>, ,и') Для ЭФОЛ ГАСПИ разработана имитационная модель К

взаимодействия ЭФОЛ ГАСПИ с информационными сигналами СПИ, которая включает интерполяцию сомножителей для совпадения масштабов

-lino осям wjc и л при перемножении спектров x[w ,п')-н[м ,п'\

К к

Интерполяция h{\v. по обоим осям wfc и л выполнена по формулам К

линейного и квадратичного интерполирования Ньютона, а для входного сигнала х(п) - путем дополнения нулями вырезанного окном участка сигнала х(т) от размера М до размера апериодической свертки L.

В третьей главе разрабатывается алгоритм и имитационная модель высоко помехоустойчивой СПИ, обладающей возможностью увеличивать помехоустойчивость за счет увеличения базы сигналов при увеличении их длительности в условиях ГАСПИ, работающей при движении корреспондентов, имеющей защиту от аддитивных коррелированных помех. За основу взят алгоритм метода относительного приема-передачи с модуляцией расстояний между максимумами автокорреляционной функции передаваемых сигналов символами информационной последовательности (метод Ланге-Мюллера [4]). Известно, что относительные методы приема-передачи устойчивы к мультипликативным помехам вследствие того, что в них используется в качестве опорного сигнала предыдущая информационная сигнальная посылка, имеющая искажения, одинаковые с текущей информационной посылкой. Основной недостаток относительных методов приема-передачи - это неудовлетворительная помехоустойчивость при малых значениях отношения сигнал/(аддитивный шум). Вследствие этого непосредственное применение метода приема-передачи Ланге-Мюллера в СПИ в условиях ГАСПИ невозможно ввиду большой вероятности малых значений отношения сигнал/(аддитивный шум) на входе приемного устройства СПИ, поэтому в диссертации алгоритм приема-передачи Ланге-Мюллера, взятый за основу, существенно изменен. На входе приемника в схеме приема-передачи Ланге-Мюллера ставится согласованный фильтр (СФ) с последующим нелинейным пороговым элементом (НПЭ). В качестве сигналов выбирается ансамбль сигналов с

логарифмической фазовой модуляцией (ЛФМ-сигналы), так как ЛФМ-сигналы - шумоподобные квазиортогональные сигналы - остаются согласованными с эталонными сигналами независимо от возникновения эффекта Допплера при приеме на СФ при любой величине базы и отношения ширины полосы частот сигнала к величине несущей частоты сигнала [5], что существенно для ГАСПИ. Величина порога К в НПЭ устанавливается равной некоторой величине от максимума модуля реакции СФ на временном интервале, который равен длительности нескольких элементарных ЛФМ-сигналов. После НПЭ результирующий сигнал подвергается обработке аналогично таковой в схеме приемника Ланге-Мюллера, то есть вычисляется АКФ от результирующего сигнала при т, и т0 - Rfi^ и R(tqJ и принимается решение о переданном бинарном символе по соотношению максимумов модулей АКФ:

"1" ; при |д(т )| )|

I 1 'max I 0 'max ^

"О" ; при |д(т )| <|я(т )|

I 1 Imax I 0 ¡max

При этом вводится допуск на т, и т0 , равный 6т, который зависит от величины эффекта Допплера и АКФ ЛФМ-сигнала. Для осуществления защиты от коррелированных помех образован ансамбль ЛФМ-сигналов посредством изменения ширины спектра ЛФМ-сигналов при постоянной длине Ts. Сдвигом начальной частоты Fnj ЛФМ-сигналов на Д/ получено т частотных каналов. Изменением величины задержек т, и т0 на ДТ получено

п временных каналов. Образован ансамбль тхп парных ЛФМ-сигналов. Из этого ансамбля сформированы последовательности парных ЛФМ-сигналов, параметры которых известны в приемнике, последовательности частотно-временных каналов (ПЧВК). Обнаружение этих ПЧВК при приеме производится по кодовым заголовкам, коды которых известны также в приемнике. Формирование ансамбля ПЧВК может быть осуществлено на основе воспроизведения множества реализаций случайных

последовательностей, а кроме того, на основе методов генерации дискретно-частотных сигналов. При этом необходим отбор ПЧВК, удовлетворяющих дополнительным требованиям, усиливающих устойчивость СПИ относительно межсимвольных искажений. Дополнительные условия генерации ПЧВК сводятся к выбору параметров ЛФМ-сигналов по частоте и по задержкам, которые усиливают различие посылок парных сигналов, находящихся по соседству и на всем окне анализа Та >ЗТ$ , а также модулированных разными бинарными символами. Укрупненный алгоритм вычисления парного ЛФМ-сигнала на выходе передатчика для /'-ого передаваемого информационного бинарного символа 11(1) можно выразить соотношениями:

5(1) = гесц — \С05

2крпг±ф-ц)

к1

1-Ь.

. РкЦ

(6)

где Рп- начальная частота границы спектра; РК- конечная частота границы спектра; Т5 - длительность сигнала. Сигнал на выходе передатчика:

^^т^^^+^Г'-Т]; при и(¡) ="!"■,

зО,10)^)+5(их0) при и0)="0". (7)

Индекс /- указывает на номера каналов в ПЧВК С^-для передаваемого /-ого бинарного символа. Текущую у-ую ПЧВК Gj можно представить

соотношением:

]

(В)

Алгоритм принятия решения относительно /-ого бинарного символа и у на выходе приемника при приеме /ого бинарного сообщения иу в виде

зашумленного и искаженного сигнала х(г) на входе приемника,

¿'¡( 1,1) - искаженный парный ЛФМ-сигнал на входе приемника,

пЦ) - стационарный аддитивный шум на входе приемника,

реализуется последовательностью следующих операций: г

1) ^(0-с + ВКФ(5'1(1,%),ф)) +ВКФ(П(1).5(0),

1-Т

где - длина импульсной реакции СФ/, равная длительности ЛФМ-сигнала, с - постоянная, зависящая от вида используемого СФ. Согласно [4] Уг(1) - реакция СФг- на х(1) в широком окне анализа приемника Та есть взаимно-корреляционная функция (ВКФ) между х(1) и ¿¡(1). Асимптотически при Т3 —ВКФ^'/^ 1,1т^), являющейся сдвоенной импульсной реакцией канала (ГАСПИ) ,так как широкополосный, квазиортогональный ЛФМ-сигнал, независим от эффекта Допплера, а его АКФ при Т5 стремится к 5-импульсу. Второе слагаемое - , так как п(1) и 5(1)- статистически

независимы [4]. Выбор конечного значения Т3 определяет конкретное отношение с/ш на входе приемника, при котором максимум модуля ВКФ(5',Гих),я(1)) больше максимума модуля ВКФ(п(1),х(1)) в окне анализа

Та-

2) Сигнал на выходе НПЭ в окне анализа Та: -•(')= уМ приу.{г)^Ку.(г)

тах

г.(г) = 0, приу.Ь)<Ку.(1)

шах

Эта операция позволяет избавиться от остаточных шумов , меньших по амплитуде порогового значения К, связанного с максимумом в окне Та. Выбор К и Т8 осуществляется экспериментально на имитационной модели СПИ в условиях ГАСПИ для конкретных отношений с/ш.

3) Базовая операция относительного приемника - вычисление АКФ

при двух значениях 1-:

у и' '0 Г п' г '

д(т. (/-т. )-г.(г)А.

4 ю' '0 гv ю' г '

При вычислении АКФ используются значения задержки т) и т0 с возможными отклонениями ±бт; из-за влияния эффекта Допплера.

4) Принятие решения:

; при МО) ■

. У I 11 таах I ш 1тах

К'(/)="0»;при|л(х )| <14 )! . .У I " 1щах I го тоах

Когда на вход приемника поступают сигналы из нескольких лучей, то СФ обрабатывает каждый сигнал независимо от остальных ввиду линейности обработки СФ. В НПЭ выделяется сигнал из луча с максимальной энергией сигнала без нарушения временной структуры в парных ЛФМ-сигналах всех лучей. Относительное запаздывание т для ЛФМ-сигналов в паре должно быть меньше, чем время, за которое изменяется /г(1) на 1% . Максимум модуля АКФ, вычисляемой на всем окне анализа Та, в диапазоне задержек т0 и т, будет соответствовать одинаковой задержке - т0 или т( в сдвоенных импульсных реакциях ГАСПИ 1Л) , полученных на выходе НПЭ для парных сигналов всех лучей в окне анализа Та . Это позволяет принимать решение относительно принятого бинарного символа по максимуму модуля АКФ, соответствующему т0 или т] ,

несмотря на относительные запаздывания между лучами и их количество в широком окне анализа Та.

При подаче на вход приемника коррелированной помехи в виде записанной, усиленной и излученной предшествующей последовательности парных ЛФМ-сигналов, мала вероятность того, что все параметры текущей ПЧВК будут совпадать с помеховой ПЧВК, поэтому ЛФМ-сигналы

помеховой последовательности будут подавляться в СФ, НПЭ и АКФ.

Нежесткий режим синхронизации (то есть принятие решения о приеме строго очередного бинарного символа при приближенном прогнозе момента появления соответствующей группы искаженных парных ЛФМ-сигналов разных лучей на входе приемной системы относительно момента обнаружения кодового заголовка передаваемой ПЧВК) обеспечивается за счет большого интервала анализа Та>ЗТ3>Т^ (где Т^ - интервал многолучевости ГАСПИ), на котором принимается решение об очередном переданном символе "О" или "!" с учетом дополнительных требований к генерации ПЧВК.

Укрупненная блок-схема имитационной модели СПИ приведена на рис.1 и рис. 2.

Среда

Рис.1 Схема модели передатчика

Рис.2 Схема модели приемника В четвертой главе разрабатывается имитационная модель автоматизированной системы испытаний помехоустойчивости (АСИП) СПИ в условиях ГАСПИ и приводится методика задания параметров ГАСПИ при модельном эксперименте. Разработанная модель АСИП основана на имитационной модели, исследуемой СПИ, имитационной модели взаимодействия ЭФОЛ ГАСПИ с сигналами СПИ и концепциях синтеза модели ГАСПИ [6]. Используется также программный пакет генерации H(w,t) ЭФОЛ ГАСПИ - "MOCAN" [3] и сервисная система,

обеспечивающая режим работы модели СПИ, ГАСПИ в автоматическом цикле повторений с изменением параметров ГАСПИ и передаваемой информации в СПИ. Исследование помехоустойчивости В АСИП осуществляется путем измерения вероятности ошибки приема сообщений СПИ (определяется Q - процент ошибок приема сообщений при заданном числе циклов приема-передачи) при различных уровнях аддитивного шума (задается уровень отношения сигнал/шум в дб) на входе модели приемника

СПИ после прохождения сигналов СПИ модели ГАСПИ. Аддитивный шум - белый шум в рабочей полосе частот СПИ.

Методика задания параметров модели ГАСПИ основана на выборе:

1) вида детерминированной лучевой структуры ГАСПИ;

2) типа взаимодействия отдельных функциональных элементов (ЭФОЛ) модели ГАСПИ (параллельный, и т.д.);

3) значений параметров, определяющих соотношение между

детерминированной и стохастической частью отдельных функциональных элементов ГАСПИ (между Я0(н<,/) и Нс(ЭФОЛ ГАСПИ);

4) величин энергетических соотношений между сигналами в лучевой структуре ГАСПИ и аддитивным белым шумом;

5) диапазона случайных величин относительного запаздывания сигналов в лучах;

6) коэффициента трансформации временного масштаба.

Рис.3 Блок-схема АСИП

Рис.4 АСИП во внешнем цикле Рис.5 Блок-схема модели ГАСПИ

Более высокий уровень автоматизации достигается организацией циклической работы модели АСИП при включении ее во внешний цикл с изменением параметров, которые интересуют пользователя АСИП, также в цикле. На рис.3 приведена укрупненная блок-схема АСИП. На рис.4 приведена укрупненная блок схема АСИП во внешнем цикле. На рис.5 приведена укрупненная блок-схема модели ГАСПИ.

В пятой главе исследуется помехоустойчивость разработанной СПИ на имитационной модели АСИП с параметрами модели ГАСПИ, которые соответствуют подводному звуковому каналу (ПЗК) на средних дальностях. Приводится методика расчета параметров СПИ с учетом параметров ГАСПИ. При проведении испытаний источник у'-ого бинарного сообщения ИИ в АСИП работал в двух режимах при передаче в >ой ПЧВК всего одного информационного бита и со значением "О" или "1", изменяемого по

случайному закону.

Первый режим: код заголовкау'-ой ПЧВК постоянный, состоящий из

3-х бит, со значением -1,0,1. Обозначение в (табл.) - "3+1".

Второй режим: код заголовка 7-ой ПЧВК отсутствует - соответствует

режиму приема бинарного сообщения при обнаруженной ПЧВК.

Обозначение в (табл.) - "0+1".

В (табл.) приведены изменяемые параметры АСИП, которые

использовались при проведении испытаний помехоустойчивости, и

результаты испытаний помехоустойчивости разработанной СПИ, которая

измерялась числом ошибок при приеме в процентах на 100 проходах цикла

приема-передачи. При этом оценка максимальной скорости передачи СПИ,

рассчитанная по выражению: /?тах «=--- бит/сек , при параметрах

+ Аттах

эксперимента составила величину от 0,23 бит/сек до 0,03 бит/сек (без учета времени обнаружения заголовка ПЧВК).

Таблица

NN 1 2 3 4 |5 |6 |7 |8 |9 |10

тк сек. Число лучей Реж. ИИ бит с/ш для максимального луча в дб.

+10 0 |-10 -12 -15 -18 -20

Число ошибок приема-передачи в %

1 4 10 3+1 0 0 0 0 7 - -

2 4 10 0+1 0 0 0 0 3 - 32

3 16 10 0+1 0 0 0 0 0 3 14

4 32 10 0+1 0 0 0 0 0 0 4

5 4 3 0+1 0 0 0 0 5 - 28

6 4 лит. аналог 0 0 1 8

В строке 6 (табл.) находятся данные помехоустойчивости СПИ (процент ошибок приема в зависимости от отношения сигнал/шум), взятые из графика литературного источника [1]. Этот график был получен на

основе натурных испытаний алгоритма помехоустойчивой адаптивной

-21 -

когерентной гидроакустической СПИ.

На рис.6 по (табл.) построены графики зависимостей процента ошибок от отношения сигнал/шум при различных значениях параметров: длительности элементарных ЛФМ-сигнапов - Гу , режима источника информации ИИ, числа лучей в модели ГАСПИ.

% ошибок

Рис.6 Результаты исследований помехоустойчивости СПИ

Ось абсцисс представляет значения с/ш для сигнала с выхода ЭФОЛ с максимальной энергией в модели ГАСПИ. По оси ординат отложены значения процента ошибок приема (частота ошибок) согласно значениям (табл.). Номера кривых на графиках рис.6 соответствуют номерам строк в (табл.).

Анализ кривых на рис.6 показывает, что с увеличением длительности сигналов Ту от 4 сек. до 32 сек помехоустойчивость разработанной СПИ увеличивается (кривые 2, 3, 4, на рис.6). Этот экспериментальный результат

свидетельствует, что модель разработанной СПИ обладает свойством увеличения помехоустойчивости в условиях ГАСПИ за счет увеличения базы сигналов через посредство увеличения длительности сигналов Ts.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации были получены следующие результаты:

1. Разработан новый алгоритм высоко помехоустойчивой СПИ на базе относительного метода приема-передачи, обладающей возможностью увеличивать помехоустойчивость за счет увеличения базы сигналов посредством увеличения их длительности при существующей частотно-временной изменчивости передаточной функции ГАСПИ. Этот алгоритм обладает другими важными свойствами:

а) позволяет осуществлять прием-передачу при движении корреспондентов и при нахождении их на разных глубинах;

б) имеет защиту от аддитивных коррелированных помех;

в) прием-передача осуществляется в нежестком режиме синхронизации.

2. Разработана методика вычисления приближенного значения реакции модели ЭФОЛ ГАСПИ на передаваемый сигнал при генерации реализаций стохастической H(w,t) ЭФОЛ известным программным

пакетом "MOCAN". Эта методика позволила разработать имитационную модель взаимодействия модели ГАСПИ с моделью СПИ и иных сигнальных систем.

3. Разработана имитационная машинная модель автоматизированной системы испытаний помехоустойчивости (АСИП) на базе имитационных моделей СПИ, ГАСПИ и их взаимодействия. Имитационная модель АСИП реализована на ЭВМ типа IBM/A Т/386 и типа SPARC в виде программного пакета в рамках НИР "ТОТАН-АН" и принята Госзаказчиком. Параметры АСИП задаются в интерактивном режиме. АСИП позволяет исследовать разработанную имитационную модель СПИ на помехоустойчивость в

условиях ГАСПИ, которые соответствуют полученным параметрам ГАСПИ в натурном эксперименте. АСИП позволяет исследовать имитационные модели разнообразных СПИ в условиях ГАСПИ в автоматизированном режиме с интерактивным заданием параметров СПИ и ГАСПИ, не затрачивая материальных средств на натурные испытания.

4. Проведены машинные эксперименты на имитационной модели АСИП по исследованию помехоустойчивости разработанного алгоритма имитационной модели высоко помехоустойчивой СПИ в условиях ГАСПИ. Результаты исследований показывают, что помехоустойчивость разработанного алгоритма имитационной модели СПИ превосходит помехоустойчивость известных адаптивных СПИ в аналогичных условиях ГАСПИ и увеличивается с увеличением базы сигналов при увеличении длительности сигналов СПИ с учетом частотно-временной изменчивости передаточной функции ГАСПИ Н(м\1). Свойства разработанной

имитационной модели высоко помехоустойчивой СПИ предоставляют возможность комплексного решения сложной технической задачи разработки СПИ с заданной помехоустойчивостью, необходимой в сигнально-помеховой ситуации ГАСПИ для конкретных условий (прием-передача при движении корреспондентов с чередованием зон освещенности и тени; прием-передача при наличии коррелированных помех; прием-передача ниже уровня шумов на больших дальностях; и т.д.).

Список публикаций по теме диссертации

1. Орлов И. А. Двумерная фильтрация сигналов, прошедших гидроакустический канал связи с нестационарной стохастической передаточной функцией. II Международный симпозиум: "Проблемы экоинформатики". Тезисы докладов. М., 1994 г., 1с.

2. Левшин И.П., Орлов И.А. Имитационное моделирование нестационарной фильтрации для оценивания искажающего влияния среды на распространение сигналов. Труды XXIII Международной конференции и дискуссионного научного клуба: "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", ТТ+БЕ'Эб, Украина, Крым, Ялта-Гурзуф,

1996 г., Зс.

3. Левшин И.П., Орлов И. А. Имитационное машинное моделирование системы связи в условиях гидроакустического канала передачи сигналов. Труды XXIV Международной конференции и дискуссионного научного клуба: "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", IT+SE'97, Украина, Крым, Ялта-Гурзуф,

1997 г., Зс.

Литература, цитируемая в тексте автореферата

1. Захаров Ю.В., Коданев В.П. Помехоустойчивость адаптивного приема сложных акустических сигналов при наличии отражений от границ океана. Акустический журнал. М.:МАИК Наука, 1996 г., том 42, N2, с. 212-219.

2. Аллен Дж.Б., Рабинер Л.Р. Унифицированный подход к кратковременному преобразованию Фурье и синтезу сигналов. ТИИЭР, т.65, N11, ноябрь, 1987 г., с.45-52.

3. Левшин И.П. Комплекс программ "MOCAN". Алгоритмы и программы: Инф. Бюл. ВНТИ-центра, 1993 г.

4. Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.:Советское радио, 1969 г., 232 с.

5. Тор P.C. Техника сжатия импульса с большим произведением длительности на ширину спектра. Зарубежная радиоэлектроника. М.: Советское радио, 1963 г., N12, с.31-38.

6. Левшин И.П., Сидоров Ю.Е. Концептуальные основы синтеза имитационных моделей гидроакустического канала связи и его элементов. Тезисы докладов. 3-ий Всесоюзный акустический семинар: модели, алгоритмы, принятие решений. Минск, 1991 г.,1с.