Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Помехоустойчивые радиосистемы передачи информации на основе многокритериального синтеза сигналов. Учебное пособие
.pdf
91
б) при учете соответствующих весовых коэффициентов
i
c
фор-
мируется целевая функция согласно выражению (4.7);
в) инициализируется алгоритм определения области решений,
на первом этапе которого при помощи функциональной зависимости
между синтезированными радиосигналами и внешними параметрами
задачи оптимизации вычисляется приближение КА (
С
S
). На втором
этапе производится сравнение значений целевой функции (4.7) при
С
S
с достигнутым на предыдущей
( 1)j −
итерации [т.е. при
( 1)j −S
]; ар-
гумент (КА) целевой функции с меньшим значением принимается
принадлежащим области решений;
г) при помощи квазиньютоновского метода оптимизации вычисляется точка приближения к экстремуму.
4.4.2. Анализ показателей качества синтезированных
сигнально-кодовых конструкций на основе битового
перемежения при изменении параметров действующей
помехи
Для анализа показателей качества ИСПИ (на принципах многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций с битовым
перемежением) при наличии ИПСП проведено имитационное моделирование следующих процессов:
- постановки радиопомех в виде сигнала с PSK-8, длительность
символьного интервала и позиционность равнялись соответствующим
параметрам для синтезируемой СКК, а средняя длительность ИПСП
равнялась
200
S
T
, ИПСП действовала в течение 40 % времени переда-
чи данных, средняя частота прихолась на несущую частоту СКК;
- многокритериального синтеза и формирования СКК на основе
битового перемежения (применялись: сверточный кодер с кодовой
скоростью 2/3 и длиной кодового ограничения 3; три параллельных
псевдослучайных перемежителя, глубина каждого из которых составляла по 1000 бит, восьмипозиционная модуляция);
92
- добавления к сигнально-кодовой конструкции АБГШ и меша-
ющего воздействия;
- детектирования из принятой смеси информационной состав-
ляющей СКК (демодуляция с мягким решением, деперемежение, декодирование при помощи BCJR-алгоритма [100]);
- определения реализованных характеристик ИСПИ при текущих условиях (параметрах АБГШ и мешающего воздействия), накопления статистики.
Следует отметить, что минимальная требуемая глубина переме-
жения определяется необходимостью превышения длительности
сформированного кадра над периодом рассматриваемого мешающего
воздействия. С другой стороны, глубина перемежения сверху ограничена допустимыми задержками в получении очередного пакета данных. Это препятствует выполнению эффективной адаптации глубины
перемежения при каждом акте воздействия ИПСП, однако все же остается целесообразным адаптивный выбор глубины перемежения за время наблюдения с учетом допустимых задержек при получении очередного пакета данных.
В качестве характеристики минимизации действия на ИСПИ совокупности импульсной пакетной сигналоподобной помехи и АБГШ
рассматривалось значение отношения
0
/
b
EN
, которое обеспечивало
вероятность битовой ошибки
3
10
o
P
−
=
(такое значение данной вели-
чины рассматривается для сохранения возможности сравнения с результатами, полученными ранее для радиосигналов), т.е. определялся
порог помехоустойчивости g. Для каждого значения этого показателя
качества накапливалось не менее 100 ошибочных бит, при этом статистика набирается еще и по 100 реализациям смеси сигнально-кодовой
конструкции, АБГШ и мешающего воздействия.
Для синтезированной и известной сигнально-кодовых конструкций на основе битового перемежения приведены зависимости
порога помехоустойчивости от отношения сигнал-помеха q (см. рису-
нок 4.9), для ИПСП элементарный импульс был задан следующим выражением:
1
( ) sin( / ),
S
p t t T
=
0StT
. В качестве известной сиг-
93
нально-кодовой конструкции рассматривается BICM PSK-8, у которой
для снижения внеполосного излучения элементарный импульс был
определен с помощью выражения
2
2
( ) sin ( / ),
S
p t t T
=
0StT
.
Таблица 4.9 — Зависимости порога помехоустойчивости
синтезированной и известной СКК на основе BICM от отношения
сигнал-помеха при действии АБГШ и ИПСП (
1
()pt
)
Из анализа приведенных зависимостей можно сделать вывод о
том, что синтезированные сигнально-кодовые конструкции при отношении сигнал-помеха
10q
дБ обладают помехоустойчивостью,
сравнимой с величиной данного показателя для сигнально-кодовых
конструкций с BICM PSK-8 в условиях наличия только АБГШ; однако
такое же значение показателя g для рассмотренной известной СКК
обеспечивается при значении
30q
дБ [98, 99]. Для рассмотренных
параметров ИПСП синтезированные сигнально-кодовые конструкции
обеспечивают выигрыш по отношению сигнал-помеха над известными
СКК на величину, превышающую 4 дБ. Кроме того, по показателю
качества порога помехоустойчивости (g) даже при отношении сигнал-
помеха
20q
дБ синтезированная сигнально-кодовая конструкция на
основе битового перемежения имеет выигрыш (порядка 2 дБ) над СКК
94
с BICM PSK-8. Это происходит за счет некоторого (см. таблицу 4.3)
расширения занимаемой полосы частот [26].
В интересах уменьшения влияния на полученные результаты
возможной корреляции между конкретными КА известной СКК на
основе битового перемежения и ИПСП целесообразно также рассмотреть помехи данного класса с другой формой элементарного импульса.
Для синтезированной и известной сигнально-кодовых конструкций на
основе битового перемежения приведены зависимости порога помехоустойчивости от отношения сигнал-помеха q (см. рисунок 4.10) при
условии действия АБГШ и импульсной пакетной сигналоподобной
помехи (с прямоугольной формой элементарного импульса). Кроме
того, для определения качественных характеристик также показана
соответствующая зависимость для синтезированного сигнала (т.е. для
синтезированной СКК без применения битового перемежения). Из
анализа приведенных зависимостей (см. рисунок 4.10) можно сделать
вывод о том, что синтезированные сигнально-кодовые конструкции
при отношении сигнал-помеха
7q
дБ обладают помехоустойчиво-
стью, сравнимой с величиной данного показателя для сигнальнокодовых конструкций с BICM PSK-8 в условиях наличия только
АБГШ; однако такое же значение показателя g для рассмотренной
известной СКК обеспечивается при значении
30q
дБ. Аналогично
полученным результатам, во всем рассмотренном диапазоне мощностей ИПСП (с прямоугольной формой элементарного импульса) синтезированные СКК превосходят известные по отношению сигнал-помеха
более чем на 4 дБ [99].
95
Таблица 4.10 — Зависимости порога помехоустойчивости
синтезированной и известной СКК на основе BICM от отношения
сигнал-помеха при действии АБГШ и ИПСП (с прямоугольной
формой элементарного импульса)
Синтезированная СКК также обеспечивает большую помехоустойчивость к действию ИПСП по сравнению с синтезированным
сигналом без применения битового перемежения (при
4q
дБ по от-
ношению сигнал-помеха превосходит не менее чем на 2 дБ). Следовательно, при наличии АБГШ и ИПСП целесообразно применение именно синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе битового перемежения, а не только радиосигналов, оптимизированных по
целевой функции (4.7).
В таблице 4.3 приведены характеристики внеполосного излучения (значения ширины СПМ сигнально-кодовой конструкции по уров-
ням -30 и -60 дБ: соответственно
30
G
и
60
G
) и пик-фактора () для
рассматриваемых сигнально-кодовых конструкций.
Из данных, приведенных в таблице 4.3, следует, что при выигрыше 0,7 дБ в значениях пик-фактора синтезированные сигнальнокодовые конструкции [для случая ИПСП
1
()pt
] хотя и реализуют уве-
личение ширины спектра на уровне -30 дБ на 32 % (при этом также
96
усиливается помехоустойчивость к действию АБГШ), но обеспечивают уменьшение занимаемой полосы частот на уровне -60 дБ более чем
на 35 % [в сравнении со спектрально-эффективной сигнально-кодовой
конструкцией на принципах BICM PSK-8
2
( ( ))pt
]. Аналогичные ха-
рактеристики внеполосного излучения и энергоэффективности получены для синтезированной сигнально-кодовой конструкции в случае
ИПСП с прямоугольной формой элементарного импульса (см. таблицу
4.3). Стоит отметить, что при помощи описанной методики могут быть
синтезированы сигнально-кодовые конструкции для ИПСП и с другими формами элементарного импульса.
Таблица 4.3 — Показатели качества СКК на основе битового
перемежения
Вид
СКК
BICM
PSK-8
2
( ( ))pt
Синтезированная СКК
[для ИПСП
1
( )]pt
Синтезированная СКК
(для ИПСП с прямоугольной формой элементарного импульса)
30
G
,
S
fT
3,8
5,6
5,6
60
G
,
S
fT
13,4
9,9
9,7
1,6
1,5
1,5
4.5. Практические аспекты реализации разработанных
процедур многокритериального синтеза
сигнально-кодовых конструкций
В интересах практической реализации разработанных процедур
многокритериального синтеза СКК целесообразно оценить число элементарных операций наиболее ресурсоемкой части – алгоритма опре-
97
деления локального минимума по соответствующим целевым функциям.
В таблице 4.4 приведена оценка количества необходимых элементарных операций при выполнении одной итерации алгоритма
определения локального минимума по целевым функциям (4.2), (4.5) и
(4.7), где
S
l
– количество отсчетов на символ.
Таблица 4.4 — Количество элементарных операций на одной
итерации алгоритма определения локального минимума
Оценка количества
элементарных операций
Оценка
количества
элементарных
операций при
32
S
l =
Для целевой
функции (4.2)
22
2
2
8262 1152 log ( )
21231 2880 log ( ) 1750
S S S
S S S
l l l
l l l
+ +
+ + +
15 500 470
Для целевой
функции (4.5)
22
2
2
7720 1190 log ( )
19900 2970 log ( ) 1780
S S S
S S S
l l l
l l l
+ +
+ + +
15 111 860
Для целевой
функции (4.7)
22
2
2
8135 1204 log ( )
20059 2975 log ( ) 1600
S S S
S S S
l l l
l l l
+ +
+ + +
15 614 208
Для эффективной адаптации ИСПИ к действию помех без использования специально подготовленных начальных условий, принадлежащих области решений, требуется не более 200 итераций локальной оптимизации (при применении процедур многокритериального
лов и битового перемежения). Следовательно, необходимая производительность ЦСП для реализации алгоритма определения локального
минимума в интересах разработанных процедур вычисляется следующим образом:
98
22
12
2
22
22
2
22
32
200 (8262 1152 log ( )
21231 2880 log ( ) 1750) / ;
200 (7720 1190 log ( )
19900 2970 log ( ) 1780) / ;
200 (8135 1204 log ( )
20059
СКК S S S
S S S S opt
СКК S S S
S S S S opt
СКК S S S
l l l
l l l R n
l l l
l l l R n
l l l
+ +
+ + +
+ +
+ + +
+ +
+
2
2975 log ( ) 1600) / ,
S S S S opt
l l l R n + +
(4.8)
где
1СКК
,
2С КК
и
3С КК
– необходимая производительность ЦСП для
реализации многокритериального синтеза СКК по целевым функциям
(4.2), (4.5) и (4.7) соответственно;
S
R
, бит/с – скорость передачи ин-
формации;
opt
n
– количество битовых интервалов, укладывающихся
в промежуток времени, через который производится очередной акт
оптимизации КА, и включающих преимущественно паузы в передаваемых сообщениях (так как современные ИСПИ работают в пакетном
режиме).
Тогда необходимая производительность ЦСП
1СКК
составля-
ет порядка 25,4 GOPS при
32
S
l =
,
8
S
R =
кбит/c,
1000
opt
n =
; для син-
теза СКК на основе «зависимых» сигналов требуется
2
~ 25
СКК
GOPS (при
32
S
l =
,
8
S
R =
кбит/c,
1000
opt
n =
); а для син-
теза СКК на основе битового перемежения требуется
3
~ 25,6
СКК
GOPS (при
32
S
l =
,
8
S
R =
кбит/c,
1000
opt
n =
). Рассмот-
рение такой невысокой скорости передачи данных имеет практический
смысл в радиолиниях передачи критически важной информации в
условиях сложной сигнально-помеховой обстановки. Для всех перечисленных процедур многокритериального синтеза оперативность
адаптации к помехам будет составлять менее 125 мс. Следовательно,
данные процедуры могут быть реализованы на отечественном ЦСП
1892ВМ7Я, обеспечивающем производительность 25,6 GOPS при 16значных операндах [101].
Кроме того, способ сокращения вычислительных затрат (на основе использования функциональной зависимости между отсчетами
синтезированного КА и внешними параметрами задачи оптимизации)
99
возможно применить и к процедурам многокритериального синтеза
СКК в интересах существенного улучшения скоростных характеристик.
Таким образом, на современной отечественной элементной базе
(ЦСП 1892ВМ7Я) возможно реализовать разработанные процедуры
многокритериального синтеза СКК на основе решетчатого кодирования, «зависимых» сигналов и битового перемежения со следующими
параметрами:
32
S
l =
,
8
S
R =
кбит/c,
1000
opt
n =
, оперативность адап-
тации к действию помех составит менее 125 мс.
4.6. Выводы
Таким образом, в четвертой главе обоснованы процедуры многокритериального синтеза СКК на основе определения элементов КА в
интересах адаптации ИСПИ к действию УП и получены следующие
основные результаты.
- Разработана процедура синтеза СКК на основе решетчатого
кодирования в интересах адаптации ИСПИ к действию УП, использующая комбинированный критерий качества, в состав которого входят
частные критерии, отвечающие за пропускную способность и ослабление действия УП, внеполосное излучение, помехоустойчивость при
АБГШ для случая TCM, а также энергоэффективность формируемой
СКК. Данная процедура позволяет реализовать СКК со следующими
показателями качества: порог помехоустойчивости (g) – от 5 дБ до
отсутствия подавления УП; ширина СПМ по уровням
30−
и
60−
дБ
соответственно – от 3,8 до 8,7 и от 6,5 до 14,6
S
fT
; пик-фактор – от 1,0
до 2,1.
- Процедура синтеза СКК на основе решетчатого кодирования в
случае воздействия на радиоканал УП (ширина спектра – 5 % от ширины СПМ синтезированной СКК; расположение – на нулевой нормированной частоте, соответствующей несущей частоте полезного сигнала) обеспечивает помехоустойчивость на уровне (ухудшение показателя g составляет менее 1 дБ) известной СКК [TCM PSK-8
2
( ( ))pt
]
100
при воздействии только АБГШ вплоть до отношения сигнал-помеха
4q =−
дБ, что на 21 дБ лучше данного показателя для рассмотренной
стандартной СКК. При сравнимых значениях пик-фактора синтезированные СКК хотя и имеют большую (на 31 %) ширину спектра на
уровне -30 дБ (за счет формирования провала в СПМ), но выигрывают
на уровне -60 дБ более чем в 1,4 раза (в сравнении со спектральноэффективной СКК TCM PSK-8
2
( ( ))pt
).
- Разработана процедура синтеза СКК на основе «зависимых»
сигналов в интересах адаптации ИСПИ к действию УП, использующая
комбинированный критерий качества, в состав которого входят частные критерии, отвечающие за пропускную способность и ослабление
действия УП, внеполосное излучение, помехоустойчивость при
АБГШ, а также энергоэффективность формируемой СКК. Данная процедура позволяет реализовать СКК со следующими показателями качества: порог помехоустойчивости (g) – от 7 дБ до отсутствия подав-
ления УП; ширина СПМ по уровням
30−
и
60−
дБ соответственно –
от 1,9 до 15,0 и от 5,3 до 31,2
S
fT
; пик-фактор – от 1,0 до 2,9.
- Процедура синтеза СКК на основе «зависимых» сигналов в
случае наиболее неблагоприятного воздействия на радиоканал УП
(ширина спектра – 5 % от ширины СПМ синтезированной СКК; расположение – на несущей частоте полезного сигнала) обеспечивает помехоустойчивость на уровне (ухудшение показателя g составляет менее
1 дБ) QPSK-сигнала при воздействии только АБГШ вплоть до отношения сигнал-помеха
3q =−
дБ, что на 23 дБ и 20 дБ лучше данного
показателя для рассмотренных известных СКК (FQPSK-сигнала) и
QPSK-сигнала соответственно. При сравнимых значениях пик-фактора
и порога помехоустойчивости синтезированные СКК на основе «зависимых» сигналов позволяют сократить ширину СПМ по уровню
30−
дБ на 37 % в сравнении с синтезированными радиосигналами в
п.3.1 при
1
0,25c =
и
3
0,3c =
; однако формирование провала в СПМ
синтезируемых СКК для адаптации ИСПИ к действию УП не позволяет достигнуть характеристик, реализуемых FQPSK-сигналами.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]