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
41
3. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ
ЧЕТЫРЕХПОЗИЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ
3.1. Анализ показателей качества синтезированных
четырехпозиционных радиосигналов в зависимости
от количества отсчетов на символ и значений весовых
коэффициентов
Для уточнения постановки задачи многокритериального син-
теза необходимо ограничить класс сигналов, используемых при адаптации в ИСПИ. В настоящее время для передачи важной информации
широко используются четырехпозиционные сигналы и, в частности,
QPSK-подобные сигналы [27], позволяющие получить сравнительно
высокие показатели качества при малом объеме КА, что в свою очередь положительно отражается на скорости оптимизации.
Кроме того, необходимо определить размерность простран-
ства, в котором целесообразно производить синтез радиосигналов. Для
этого исследована зависимость характеристик ИСПИ от количества
отсчетов на символ (
S
l
) (см. рисунок 3.1). Здесь
30
G
и
60
G
– ширина
СПМ радиосигнала соответственно по уровню
30−
и
60−
дБ [59];
opt
t
– среднее время синтеза сигнала на компьютере с процессором
Intel i5. Статистика накапливается для 100 реализаций УП.
При имитационном моделировании выявлено, что количество
отсчетов на символ существенно влияет на характеристики внеполосного излучения и определяет время синтеза радиосигналов. Из анализа
рисунка 3.1, а следует, что адекватные показатели качества внеполосного излучения для синтезированных радиосигналов достигаются при
количестве отсчетов на символ, равном или большем 32, т.е. при
уменьшении влияния наложения спектральных составляющих дискретного преобразования Фурье. Принимая во внимание увеличение
времени оптимизации с ростом размерности задачи синтеза радиосигналов (см. рисунок 3.1, б), целесообразно, чтобы число отсчетов на
42
символ было минимально возможным, т.е.
32
,1 2I
ls
, где
32
2
l
– про-
странство дискретного времени размерности 32.
Рисунок 3.1 — Зависимости характеристик ИСПИ
от количества отсчетов на символ
Кроме числа отсчетов на символ существенное влияния на ха-
рактеристики ИСПИ оказывают значения весовых коэффициентов
i
c
[см. выражение (2.3)]. В интересах обоснования компромиссных значений данных коэффициентов при определении множества синтезируемых радиосигналов методом имитационного моделирования по целевой функции (2.3) получены зависимости критериев и показателей качества от коэффициентов
i
c
(см. рисунки 3.2-3.4 соответственно
под а и б).
На рисунках 3.2, а и 3.3, а приведены критерии качества, нор-
мированные к значениям, полученным при начальных условиях оптимизации (КА для QPSK-сигнала) [60]. Для критерия энергоэффективности нормировка не производилась вследствие равенства нулю значений при задании начальных условий.
При проведении имитационного моделирования параметр
2
c
был фиксирован
2
( 0)c =
, так как при оптимизации четырехпозицион-
ных радиосигналов с применением формул (2.5) целесообразно перейти от общего критерия максимума помехоустойчивости при действии
АБГШ (1.22) к требованию отличия от нуля
,1()I
ts
(см. п. 2.2). Следо-
43
вательно, возможно варьировать только значения коэффициентов
1
c
и
3
c
, так как
4 3 2 1
1c c c c= − − −
. Доверительные интервалы рассчитаны
для доверительной вероятности 0,95 и при условии, что измеряемые
величины имеют нормальный закон распределения, однако не приведены на рисунках, чтобы их не загромождать.
Рисунок 3.2 — Критерий и показатель подавления
узкополосных помех
Рисунок 3.3 — Критерий и показатели внеполосного
излучения
При условии наличия УП (ширина спектра 10 % от ширины
спектра QPSK-сигнала; центральная частота равняется частоте несущего колебания полезного сигнала, отношение сигнал-помеха составляет -4 дБ) наибольший приоритет приобрел критерий
44
2
( ( ), ( , ))
opt
d G f G f S
. Из результатов, приведенных на рисунке 3.2, б,
следует, что эффективное подавление действующей УП осуществляется при значениях
1
0,2c
(
3
0,3c
), а при варьировании
1
c
от 0,4 до
0,6 величина порога помехоустойчивости g достигает минимума и
меняется незначительно. Отсутствие адаптации к УП при
3
0,5; 0,7,c =
объясняется преобладанием в этих случаях критерия спектральной
эффективности [61].
Рисунок 3.4 — Критерий и показатель энергоэффективности
Принимая во внимание нецелесообразность исключения кри-
терия спектральной эффективности (при
3
0c =
происходит неконтро-
лируемое изменение соответствующего показателя качества; см. рисунок 3.3), а также резкое повышение пик-фактора при
1
0,5c
(см. ри-
сунок 3.4), данные точки исключаем из рассмотрения. При этом конкретные значения весовых коэффициентов из набора
1
{0,4; 0,5}c
и
3
{0,2; 0,3}c
целесообразно задавать с учетом требований текущей
задачи и обеспечения компромисса между спектральной и энергетической эффективностями. Например, при получении результатов, приведенных в таблице 2.3,
1
0,5c =
и
3
0,3c =
.
Неконтролируемое ухудшение соответствующих показателей
качества при значениях
1
0c =
или
3
0c =
подтверждает необходи-
мость использования многокритериального синтеза радиосигналов.
45
Из анализа рисунков 3.2-3.4 следует, что при варьировании ве-
совых коэффициентов изменяются соответствующие им показатели
качества: g – от 7 дБ до отсутствия подавления УП; ширина СПМ по
уровням
30−
и
60−
дБ соответственно – от 4,0 до 7,4 и от 6,2 до 15,4
S
fT
; пик-фактор – от 1,0 до 2,4.
Таким образом, обосновано число отсчетов на символ и получены зависимости показателей качества синтезированных четырехпозиционных радиосигналов от весовых коэффициентов
1 3 4
,,c c c
; опреде-
лены их значения, которые целесообразно использовать при адаптации
ИСПИ к действию УП.
3.2. Анализ показателей качества синтезированных
радиосигналов в зависимости от параметров
действующей узкополосной помехи
Для исследования работоспособности предлагаемой процедуры
адаптации ИСПИ при изменении внешних параметров УП целесообразно произвести количественную оценку показателей качества синтезированных радиосигналов при вариации таких параметров действующей УП, как нормированная центральная частота (
N
f
), ширина
спектра (
N
f
) и отношение сигнал-помеха (q) [62]. Кроме того, целе-
сообразно осуществить сравнительный анализ синтезированных и известных четырехпозиционных радиосигналов.
На рисунках 3.5 и 3.6 приведены зависимости показателей качества синтезированных и известных радиосигналов от нормированной
центральной частоты действующей УП.
46
Рисунок 3.5 — Зависимости порога помехоустойчивости
синтезированных и известных радиосигналов от центральной
частоты УП
Рисунок 3.6 — Зависимости спектральной и энергетической
эффективностей синтезированного радиосигнала от центральной
частоты УП
При имитационном моделировании использовались следующие
значения весовых коэффициентов:
1
0,5c =
и
3
0,3c =
; на вход детек-
тора поступала смесь полезного сигнала, АБГШ и УП с шириной спектра 3 % от ширины спектра сигнала с QPSK
1
( ( ))pt
; отношение сигнал-
помеха равнялось 12 дБ; для получения устойчивых оценок для каждого значения величины порога помехоустойчивости (g), при котором
вероятность битовой ошибки
3
10
o
P−=
, накапливается статистика, со-
47
ответствующая не менее 100 битовым ошибкам; кроме того, для всех
параметров статистика накапливается по 300 реализациям УП.
Из анализа рисунка 3.5 следует, что ухудшение помехоустойчивости для известных видов радиосигналов наблюдается при совмещении частоты действующей УП с частотами наибольшей концентрации
СПМ сигнала и, следовательно, наиболее негативное воздействие оказывает УП с центральной частотой, равной несущей [62]. Синтезированный радиосигнал во всем диапазоне
[ 1,5; 1,5]
S
fT−
сохраняет по-
мехоустойчивость на уровне сигнала с QPSK при воздействии только
АБГШ, максимальный выигрыш в помехоустойчивости достигает 6,1;
4,0; 2,9 дБ по сравнению с QPSK, QPSK
1
( ( ))pt
и QPSK
2
( ( ))pt
сигна-
лами соответственно.
Из анализа рисунка 3.6, а, б следует, что при смещении центральной частоты действующей УП к краю исследуемого диапазона
спектральная эффективность постепенно улучшается, что связано с
перемещением провала в СПМ сигнала и, следовательно, переходом
одной из двух частей главного лепестка СПМ в «боковой» лепесток,
который тем меньше, чем ближе УП к краю диапазона. При этом
ухудшение значения пик-фактора достигает 6 %, так как в данных
условиях преобладает критерий минимума внеполосного излучения.
Однако при изменении центральной частоты УП в диапазоне, наиболее
эффективном для постановки преднамеренной помехи, т.е.
[ 0,6; 0,6]
S
fT−
, наблюдается сравнительно низкая вариация показате-
лей качества синтезируемого радиосигнала [62].
При дальнейшем исследовании показателей качества адаптивной ИСПИ целесообразно рассматривать УП с нулевой нормированной центральной частотой. Такая помеха, среди рассмотренных, оказывает наиболее негативное воздействие на радиолинию.
На рисунке 3.7 приведены зависимости помехоустойчивости
синтезированных и известных радиосигналов от ширины спектра УП
(
N
f
), нормированной к ширине спектра сигнала с QPSK
1
( ( ))pt
. Здесь
значения весовых коэффициентов:
1
0,5c =
и
3
0,3c =
;
0
NS
f fT=
;
отношение сигнал-помеха равнялось 12 дБ.
48
Рисунок 3.7 — Зависимости порога помехоустойчивости
синтезированных и известных радиосигналов от ширины
спектра УП
Из анализа рисунка 3.7 следует, что при фиксированном отношении сигнал-помеха для рассмотренных видов модуляции порог помехоустойчивости (g), при котором вероятность битовой ошибки
3
10
o
P
−
=
, слабо изменяется при вариации
N
f
в пределах
3..11 %
.
Синтезированный радиосигнал на фоне АБГШ и УП сохраняет
помехоустойчивость на уровне сигнала с QPSK при воздействии только АБГШ; максимальный выигрыш в помехоустойчивости достигает
6,6; 4,1; 3,0 дБ по сравнению с QPSK, QPSK
1
( ( ))pt
и QPSK
2
( ( ))pt
сигналами соответственно (при
5%
N
f=
). Спектральная и энергети-
ческая эффективности синтезированного радиосигнала слабо зависят
от изменения
N
f
в рассмотренных пределах.
На рисунке 3.8 приведены зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных радиосигналов от отношения сигнал-помеха (q). Здесь
0
NS
f fT=; 5%
N
f=
.
49
Рисунок 3.8 — Зависимости порога помехоустойчивости
синтезированных и известных радиосигналов от отношения
сигнал-помеха
Из анализа рисунка 3.8 следует, что синтезированные радиосигналы при значениях весовых коэффициентов
1
0,5c =
и
1
0,25c =
;
3
0,3c =
вплоть до
7q =−
и 2 дБ соответственно сохраняют помехо-
устойчивость на уровне сигнала с QPSK при воздействии только
АБГШ; для рассмотренных известных видов модуляции такое же значение показателя g достигается при отношении сигнал-помеха боль-
ше 20 дБ [62, 63]. Характеристики синтезированного сигнала при значениях
1
0,25c =
;
3
0,3c =
приведены для иллюстрации показателя
помехоустойчивости при уменьшении весового коэффициента
1
c
для
критерия максимума пропускной способности за счет ослабления действия УП. Спектральная и энергетическая эффективности синтезированных радиосигналов слабо зависят от отношения сигнал-помеха.
В таблице 3.1 в качестве примера приведены показатели качества внеполосного излучения и энергоэффективности для известных и
синтезированных радиосигналов при значениях весовых коэффициентов
1
0,5c =
,
3
0,3c =
и
1
0,25c =
,
3
0,3c =
.
50
Таблица 3.1 — Показатели качества радиосигналов
Вид модуляции
QPSK
1
( ( ))pt
QPSK
2
( ( ))pt
Синтезированный сигнал
(
1
0,25c =
;
3
0,3c =
)
Синтезированный сигнал
(
1
0,5c =
;
3
0,3c =
)
Ширина спектра на
уровне -30 дБ,
S
fT
4,6
3,8
5,1
5,6
Ширина спектра на
уровне -60 дБ,
S
fT
32,0
13,4
11,1
8,5
Пик-фактор
1,4
1,6
1,4
1,6
Анализ результатов, приведенных в таблице 3.1, показывает,
что радиосигналы с синтезированным КА при
1
0,25c =
;
3
0,3c =
и
1
0,5c =
;
3
0,3c =
, хотя и имеют большую ширину спектра на уровне
30−
дБ (за счет формирования провала в СПМ), значительно выигры-
вают на уровне -60 дБ [в сравнении со спектрально-эффективными
сигналами: с QPSK
2
( ( ))pt
– более чем в 1,2 и 1,5 раза; а с QPSK
1
( ( ))pt
– в 2,9 и 3,7 раза соответственно]. При этом значение пик-фактора
сравнимо для известных сигналов с QPSK
2
( ( ))pt
и синтезированных
при
1
0,5;c =
3
0,3c =
, а также с QPSK
1
( ( ))pt
и при
1
0,25c =
;
3
0,3c =
.
Таким образом, предлагаемая процедура адаптации ИСПИ при
наиболее неблагоприятном (из рассмотренных) воздействии на радиоканал УП
( 0 ;
NS
f fT= 5%)
N
f=
обеспечивает помехоустойчивость
на уровне сигнала с QPSK при воздействии только АБГШ вплоть до
7q =−
дБ, что на 27 дБ лучше данного показателя для известных ви-
дов модуляции [QPSK, QPSK
1
( ( ))pt
и QPSK
2
( ( ))pt
] [64].
3.3. Сравнительный анализ помехоустойчивости
известных (после режекции узкополосной помехи)
и синтезированных радиосигналов
Целесообразно осуществить сравнительный анализ разработанной процедуры адаптации ИСПИ и известного способа уменьшения
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]