книги из ГПНТБ / Кондратьев, С. Л. Применение метода функционального моделирования для оценки помехоустойчивости систем связи

тех блоков, которые могут быть исключены (или заменены) при моделировании конкретных систем, описание доводится до крат­ кой характеристики функционального назначения каждого из них.

Одной из важнейших особенностей ФМ является возмож­ ность, отображения в моделях реальных (паспортных или снятых экспериментально на данном образце) характеристик аппара­ туры. При этом можно учесть не только частные характеристики, полученные .на одном экземпляре, но и статистические свойства всей .совокупности однотипных устройств. В последующем в мо­ дели аппаратурной части канала предполагается использование некоторых средних параметров лишь для простоты описания алгоритмов. . . . . :

Известно, что основным видом помех при уплотнении яв­ ляются переходные помехи, обусловленные взаимным влиянием субканалов. Два основных фактора определяют взаимные помехи между субканалами (считается, что AF и п определены):

1) Спектр поступающих на приемник сигналов в каждом из субканалов.

2) Свойства разделительных (или согласованных) фильтров. Существенной трудностью увеличения числа субканалов в KB (и тропосферных) системах радиосвязи является «размывание»

спектра средой распространения, а также воздействием сосредо­ точенных и импульсных помех. Если теперь учесть, что в точку приема могут приходить несколько лучей, отраженных от раз­ личных слоев ионосферы, то трудности теоретического анализа и необходимость моделирования становятся еще более очевид­ ными. Попытки сделать разделительные фильтры очень узкопо­ лосными, как известно, приводят к увеличению длительности и наложению импульсов друг на друга, что может вызвать поте­ ри достоверности. Постановка согласованных фильтров теоре­ тически позволяет резко повысить число субканалов, однако требует жесткой синхронизации работы всего канала, что опять-

.Поскольку основная цель построения многочастотной системы состоит в увеличении количества передаваемой информации в заданной полосе частот,.важнейшим, фактором будет являться коррелированность сигналов, на выбранных частотах.. .

Если интервал .частотной корреляции мал, т..'/е. меньше чем &F/n,;jo в силу независимости: (при .нормальных флуктуациях) общее количество информации равно, сумме частных количеств информации по каждому из субканалов. В этом и заключается основной смысл многочастотных систем. Если рКорр (Af) перекры­ вает весь диапазон AF, то каналы зависимы и преимущества многочастотной системы, будут в значительной степени потеряны. На самом де,ле это рассуждение следовало бы уточнить, но здесь

120

не делаем этого, так как цель состоит лишь в обосновании необ­ ходимости отображения в модели указанных корреляционных свойств, а не в анализе самих систем.

Трудность в построении моделей многочастотных (и широко­ полосных) систем состоит в том, что корреляционные свойства среды не остаются постоянными, а изменяются не только во вре­ мени, но и в зависимости от ряда других параметров. Действи­ тельно, с увеличением числа субканалов сужается отводимый на каждый из них участок частот. Предположим, что при некото­ рой дальности связи интервал корреляции был малым и система эффективно функционировала. Что произойдет, если дальность связи необходимо уменьшить? Как повлияет изменение рабочей частоты в меньшую сторону, поскольку на малых дальностях, как правило, требуется использовать меньшие по номиналу частоты? Ответы на эти вопросы получить весьма трудно, так как одновременно действует ряд причин в разных направлениях.

При не слишком больших скоростях определяющими являются многократные отражения от слоев ионосферы и земли, что мо­ жет привести к срыву работы в «одночастотной» системе, в то время как многочастотная в состоянии еще работать (пусть и не очень эффективно). При больших скоростях, даже при работе по «одному лучу» на средних дальностях односкачковых трасс, определяющими могут оказаться дисперсионные свойства среды. Исследование характера зависимости корреляции по частоте при больших скоростях при однолучевом распространении и односкачковой трассе показывает, что интервал корреляции по ча­ стоте существенно зависит от дальности связи, рабочей частоты и частотного разноса между частотными компонентами. Тем более это справедливо в условиях многолучевости.

Отсюда следует, что при больших скоростях (порядка 500^- -н1000 бод) в моделях требуется дополнительно отображать не только указанные выше параметры аппаратуры, но и даль­ ность, а также рабочую частоту. При этом необходимо модели­ ровать и прохождение сигнала через среду либо непосредственно (т. е. в ходе решения задачи), либо путем предварительного введения в память машины сигналов с учетом корреляционных свойств.

В представленном ниже алгоритме предполагается, что ско­ рости передачи в каждом субканале невелики и дисперсионными свойствами среды можно пренебречь. Включение указанных свойств канала не представляет трудностей, однако практиче­ ское решение на ЦВМ класса «Минск-22» потребует очень боль­ шого машинного времени.

3.5.2. Описание модели многочастотнои системы связи

Общая блок-схема модели приведена на рис. 3.18. Основными функциональными элементами модели Системы являются модели линейного тракта, детектора, фильтра манипуляции, решающего

121

Рис. 3.18.

устройства, а также те блоки программы, которые обеспечи­ вают подачу на указанные частные модели компонент сигналов, помех и флуктуационного шума. Эти последние группы блоков названы соответственно моделями сигналов, помех, шума. Они остаются неизменными и при переходе к системе без уплотнения («одночастот.ный» режим модели), что предусматривается при исследовании помехоустойчивости систем AT, ЧТ, ОФТ и ДОФТ.

Вмодели принято частотно-временное представление сигналов

ипопользуются частотные характеристики трактов приемника.

Линейный тракт отображен в виде двух блоков Б и В. Блок Б представляет собой тракт поднесущей и включает ши­

фильтра для всех поднесущих принята одинаковой. Другое упро­ щение заключается в том, что все частоты считаются абсолютно стабильными, а несущие колебания гармоническими.

Введенные упрощения не являются обязательными. Прин­ ципиально можно ввести любые различия в характеристиках реальных фильтров и учесть нестабильность частоты. Однако они позволяют резко повысить скорость моделирования. После филь­ трации частотных компонент поднесущей с помощью векторного сложения осуществляется переход к временному представлению сигнала в виде дискретных отсчетов. Дискретизация по времени выбирается в соответствии с рассмотренными выше рекоменда­ циями. Блок В отображает в модели инерционность линейного тракта поднесущей таким образом, что каждый отсчет сигнала на выходе линейного тракта зависит от полосы пропускания

напряжения на входе линейного тракта и каждому такому пере­ паду сопоставляется экспоненциальная функция времени. Век­ торное сложение выдает реализации сигнала в виде координат X и У, характеризующих положение вектора огибающей на плос­ кости. Модель инерционности обрабатывает координаты X и У отдельно, что позволяет вычислять мгновенную частоту на вы­ ходе линейного тракта. Задержка сигнала в линейном тракте моделью не воспроизводится.

Частотный дискриминатор задан разностной характеристикой двух своих фильтров, которая и позволяет по мгновенной частоте определить выходное напряжение.

Модель'инерционности фильтра манипуляции аналогична уже рассмотренному блоку В, но реализации сигнала представлены здесь не в виде координат,- а отсчетами напряжения с выхода дискриминатора.

На 'блок-схеме введены следующие обозначения: п—длина кодовой комбинации, т — число поднесущих, р — число субка­ налов на одну поднесущую.

124

Кодовая комбинация задается одним или двумя машинными словами, поэтому / г ^ 72(ю>. Число поднесущих в данном вари­ анте модели не должно превышать 24. При моделировании приема сигналов AT, ЧТ, ОФТ р—\, при ДОФТ р — 2.

Блок 1 подготавливает модель к приему очередной кодовой комбинации. Блок 2 определяет момент окончания приема слова кодограммы и начала статистической обработки принятого слова.

Блоки 3 и 4 ведут счет посылок кодовой комбинации, опреде­ ляют момент первого отсчета на каждой посылке в соответствии с выбранной дискретизацией по времени, подают на модель сигналов первое из двух машинных слов, составляющих кодо­ вую, комбинацию, и обеспечивают начало моделирования с пер­

посылки кодовой комбинации. Если первое машинное слово ко­ довой комбинации передано, то блоки 7 и 8 обеспечивают пере­ ход ко второму.

Блоки 9—14 представляют собой модель сигналов. Блок 9 за­ сылает в схему векторного сложения модели линейного тракта значение текущего момента времени и очищает ячейки, в которых формируются координаты I и У реализации сигнала. С целью перебора всех поднесущих, взаимное влияние которых необхо­ димо учитывать исходя из реальных характеристик фильтров, предусматривается специальная (7-я) индексная ячейка. Блок 9 присваивает ей индекс.

Блоки 10,11,12 подают сигнал каждой подиесущей на модель быстрых или медленных замираний, если замирания модели­ руются и на модель линейного тракта. Моделирование замира­ ний сигнала при прохождении им среды распространения осу­ ществлено в двух вариантах. Первый вариант, обеспечивающий более высокую скорость моделирования, представляет собой ста­ тистическую модель интервалов и глубины замираний. Второй вариант использует результаты моделирования среды распро­ странения.

Блок 13 обеспечивает перебор всех поднесущих по седьмому индексу. Блок 14 запоминает координаты X и У сигнала, что позволяет сократить время моделирования при отсутствии быст­ рых замираний и при дискретизации по времени, меньшей дли­ тельности посылки сигнала. Если эти условия отсутствуют, то блок 14 и часть блока 15 из модели исключаются.

Блоки 15:—32 представляют собой модель сосредоточенных и импульсных помех. Седьмой индекс служит для перебора всех сосредоточенных помех, влияние которых на данную поднесущую учитывается при конкретной характеристике разделитель­ ного фильтра и выбранной точности воспроизведения. Если влия­ ние сосредоточенных помех на данную поднесущую не учиты-

125

Г Л А В А 4.

ОЦЕНКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ СВЯЗИ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДЕЛЯХ

Функциональное моделирование средств и систем связи на ЦВМ разрабатывается исходя из потребности его использования на всех основных этапах проектирования и испытаний аппара­ туры связи. Как уже отмечалось, функциональное моделирова­ ние должно дополнять и расширять возможности других методов исследования систем связи и обеспечивать необходимую преем­ ственность результатов оценки, а также возможность их срав­ нения.

Степень полноты и точность результатов моделирования зави­ сят от глубины отображения в моделях соответствующих усло­ вий работы системы. В зависимости от сложности исследуемых явлений и требуемых результатов исследования, а также воз­ можностей используемых ЦВМ устанавливается и глубина ото­ бражения в моделях физических процессов, происходящих в ФЭ системы связи. Весь процесс моделирования можно разбить на отдельные этапы и оценивать подобие по избранным критериям на выходе каждого ФЭ, причем в качестве критериев приме­ няются любые практически используемые показатели функциони­ рования устройств или систем связи: форма или спектр сигнала, вероятность ошибок, скорость передачи, количество информа­ ции и т. д.

Чтобы проследить за общей методикой ФМ, в § 4.1 рассмат­ ривается ряд вопросов, имеющих прямое отношение к проведе­ нию испытаний на моделях. Теория подобия является по своему существу основой обобщения единичных экспериментов на всю группу подобных явлений. Поэтому, несмотря на большую слож­ ность моделей и большие затраты машинного времени в каждом частном эксперименте, в конечном итоге получается выигрыш и в этом смысле, так как одна модель позволяет получить решение по целому ряду вопросов и для всех систем, удовлетворяющих условиям подобия. Например, одновременно с записью потока ошибок на НМЛ можем получить форму или спектр сигнала в нескольких сечениях канала или функции распределения его параметров и по ним уже судить о качестве моделей.

Такая проверка необходима прежде всего в сложных моде­ лях, в которых происходит постепенное накопление отклонений за счет неполноты используемых в каждой частной модели пара­ метров или даже ошибок в оценке их информативности. Выше

127

были приведены примеры, характеризующие модели ФЭ канала, поэтому основное внимание в § 4.2 будет уделяться потоку оши­ бок и их группированию как показателям верности моделей.

Если в моделях отображаются те же условия функциониро­ вания, что и при аналитическом исследовании или натурном

ния при построении моделей. Наоборот, если проверка частных моделей показывает их подобие, то построенная на их основе общая модель некоторой новой системы-модели как прообраза будущей технической системы обладает свойством технической реализуемости. Вопрос о целесообразности ее реализации зави­ сит от многих обстоятельств, важнейшим из которых является результат оценки помехоустойчивости модели.

Пример использования моделирования в процессе поиска но­ вой системы, основанной на распознавании образов, приводится в § 4.3. Показывается, что противопоставление теории распозна­ вания и теории обнаружения неправомерно, поскольку последняя является частным случаем первой, и процесс обучения, свой­ ственный системам распознавания, не может привести к резуль­ татам, опровергающим теорию потенциальной помехоустойчи­ вости.

I § 4.1. Некоторые вопросы методики и оценка результатов моделирования

Важнейшими показателями качества моделей являются со­ стоятельность и эффективность. Состоятельность модели опре­ деляется ее возможностью получить решение с необходимой точностью, что, как уже указывалось в § 1.1, зависит от того, на каких принципах модель построена. Эффективность, кроме указанного, зависит еще и от того, насколько удачно построен весь алгоритм с учетом возможности использования одной и той же модели в различных условиях работы оригинала.

В § 2.1 подчеркивалось, что в конечном итоге подобие модели гарантируется лишь при условии единственности критериального уравнения, которое, в свою очередь, зависит от полноты априор­ ных данных об оригинале. Но и при этом условии верность модели зависит от того, насколько правильно определена функ­ ция связи каждой частной мрдели с другими моделямивсей системы. Очевидно, что в сложной модели происходит накопле­ ние расхождений, в силу чего проверка подобия по частным критериям не всегда может обеспечить гарантию состоятельно­ сти и эффективности модели в целом. Только проверка по инте­ ресующим нас показателям оригинала может гарантировать подобие созданной модели. Поэтому важным этапом функцио­ нального моделирования является исследование чувствительно­ сти обобщенных критериев к изменениям первичных (частных) критериев подобия.

128

Пусть теперь известно, что параметрами, полностью опреде­ ляющими некогерентную двоичную систему связи, являются мощность сигнала в точке приема с^с (Вт), полоса пропускания F (Гц) и спектральная плотность мощности шума N0 (Вт/Гц). Требуется определить частость ошибок как функцию этих пара­ метров:

апоэтому процесс автомоделей.

Всилу автомодельности вероятность ошибки может быть найдена без обращения к эксперименту, если дополнительно учесть условия однозначности:

1)/z2-*oo,

(4.1.5)

2) Л2 ->0,

Тогда, следуя рекомендациям критериальной обработки, полу­ чим возможную нелинейную функцию связи Ф< в виде

Можно убедиться в том, что других простейших (одночлен­ ных) функций не существует. Если обработка сигнала является когерентной, то в соответствии с § 3.1 необходимо вводить кри­ терии гомохронности (синхронности). Поскольку один элемент сигнала отличается от другого лишь фазой, критериальное урав­ нение будет иметь вид:

где itj и я2 —критерии подобия между первым и вторым эле­ ментом сигнала и когерентным напряжением. Пользуясь только

130