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
71
кодирования
Для уточнения постановки задачи многокритериального синтеза
необходимо ограничить класс СКК на основе решетчатого кодирования, используемых при адаптации в ИСПИ. В настоящее время для
передачи информации достаточно широко используются четырехпозиционные сигналы и, в частности, QPSK-сигналы [27], позволяющие
получить сравнительно высокие показатели качества при малом объеме КА, что, в свою очередь, положительно отражается на скорости
оптимизации. В случае применения решетчатого кодирования QPSKсигнал трансформируется в СКК (TCM PSK-8). Необходимо отметить,
что при этом разрабатываемые процедуры не теряют общности и при
соответствующих параметрах могут быть применены для многокритериального синтеза СКК с позиционностью
8M
. В данном параграфе
рассматриваются СКК с процедурой кодирования (для решетки с четырьмя состояниями), описанной в [26], и декодированием по алгоритму Витерби [89].
Для адекватного сравнения по показателям внеполосного излучения целесообразно рассматривать известную спектральноэффективную СКК TCM PSK-8
2
( ( ))pt
, у которой форма элементарно-
го импульса задается следующим выражением:
2
2
( ) sin ( / ),
S
p t t T
=
0.
S
tT
Также необходимо задать центральную частоту УП, равную несущей полезного радиосигнала, так как в этом случае оказывается
наиболее негативное воздействие на ИСПИ за счет поражения частот с
высокой концентрацией СПМ, а также затруднено формирование провала в спектре синтезируемой СКК на основе решетчатого кодирования.
На характеристики синтезируемых СКК оказывают существенное влияние весовые коэффициенты
i
c
[см. выражение (4.2)]. В инте-
ресах обоснования компромиссных значений данных коэффициентов
при определении множества синтезируемых СКК методом имитацион-
72
ного моделирования по целевой функции (4.2) получены зависимости
показателей качества от коэффициентов
i
c
(см. рисунки 4.1 - 4.3).
Таблица 4.1 — Зависимости порога помехоустойчивости СКК
на основе TCM при действии УП от весовых коэффициентов
i
c
Здесь в качестве показателя подавления действия УП рассматривается
порог помехоустойчивости СКК (g), который определяется как зна-
чение, равное отношению
0
/
b
EN
при вероятности битовой ошибки
3
10
o
P
−
=
(такое значение данной величины рассматривается для со-
хранения возможности сравнения с результатами, полученными ранее
для радиосигналов), в условиях действия АБГШ и УП в виде «небелого» гауссовского шума (ширина спектра – 5 % от ширины СПМ синтезированной СКК; расположение – на нулевой нормированной частоте,
что соответствует несущей частоте полезного сигнала); в интересах
получения устойчивых оценок для каждого значения g накапливается
статистика, соответствующая не менее 100 битовым ошибкам; кроме
того, для всех показателей качества ИСПИ статистика накапливается
по 100 реализациям УП. Размер выборки определялся требованием не
перекрытия доверительных интервалов, рассчитываемых для доверительной вероятности 0,95 и при условии, что измеряемые величины
имеют нормальный закон распределения.
73
Для характеристики внеполосного излучения использовались
значения ширины СПМ сигнально-кодовой конструкции по уровням
30−
и
60−
дБ (
30
G
и
60
G
соответственно), а в качестве показателя
энергоэффективности – пик-фактор ().
Таблица 4.2 — Зависимости показателей внеполосного излучения
СКК на основе TCM от весовых коэффициентов
i
c
При проведении имитационного моделирования параметр
2
c
был фиксирован
2
( 0,1)c =
, так как соответствующий критерий ро-
бастен к вариации весовых коэффициентов, а шум входных каскадов
приемников присутствует во всех ИСПИ и соответственно помехоустойчивость сигналов к воздействию АБГШ для случая TCM является необходимым условием их функционирования. Следовательно, возможно варьировать только параметрами
1
c
и
3
c
, так как
4 3 2 1
1.c c c c= − − −
74
Таблица 4.3 — Зависимости показателя энергоэффективности
СКК на основе TCM от весовых коэффициентов
i
c
При условии наличия УП (для примера отношение сигналпомеха равнялось -4 дБ) наибольший приоритет приобретает критерий
( )
2
( ), ( , )
opt
d G f G f S
. Из результатов, приведенных на рисунке 4.1, сле-
дует, что эффективное подавление УП осуществляется при значениях
1
0,4c
(
3
0,5c
); для разумного использования остальных критериев
необходимо выбрать коэффициент
1
c
минимально возможным. Невы-
сокая адаптация к действию УП при
3
0,5; 0,7c =
объясняется преоб-
ладанием в этих случаях критерия минимума внеполосного излучения.
Принимая во внимание нецелесообразность исключения критерия минимума внеполосного излучения (так как при
3
0c =
происходит
неконтролируемое изменение соответствующего показателя качества,
см. рисунок 4.2), а также резкое повышение пик-фактора при
1
0,5c
(см. рисунок 4.3), данные точки исключаются из рассмотрения.
При этом конкретные значения весовых коэффициентов целесообразно задавать исходя из текущих требований к показателям качества и обеспечения компромисса (т.е. недопущения резкого ухудшения
соответствующих характеристик) между спектральной и энергетиче-
75
ской эффективностями по рисункам 4.2 и 4.3. Например, далее в данной работе синтез СКК на основе решетчатого кодирования осуществляется при
1
0,4c =
и
3
0,3c =
.
Неконтролируемое ухудшение соответствующих показателей
качества при значениях
1
0c =
или
3
0c =
подтверждает необходи-
мость использования многокритериального синтеза СКК.
Из анализа рисунков 4.1-4.3 следует, что при варьировании весовых коэффициентов
i
c
изменяются соответствующие им показатели
качества: 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.
4.2.3. Анализ показателей качества синтезированных
сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого
кодирования в зависимости от параметров действующей
узкополосной помехи
Для исследования эффективности предлагаемой процедуры
многокритериального синтеза СКК на основе решетчатого кодирования в интересах адаптации ИСПИ к действию УП целесообразно произвести количественную оценку соответствующих показателей качества при вариации отношения сигнал-помеха, а также осуществить
сравнительный анализ синтезированных и известных СКК на основе
решетчатого кодирования.
На рисунке 4.4 представлены зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных СКК от отношения сигналпомеха (q).
76
Таблица 4.4 — Зависимости порога помехоустойчивости
синтезированных и известных СКК на основе решетчатого
кодирования от отношения сигнал-помеха
Здесь ширина спектра действующей УП – 5 % от ширины СПМ
синтезированной СКК; расположение – на нулевой нормированной
частоте, что соответствует несущей частоте полезного сигнала.
Из анализа рисунка 4.4 следует, что синтезированные СКК
вплоть до
4q =−
дБ сохраняют свою помехоустойчивость на уровне
(ухудшение показателя g составляет менее 1 дБ) известной СКК
[TCM PSK-8
2
( ( ))pt
] при воздействии только АБГШ; для рассмотрен-
ной известной СКК такие же значения показателя g достигаются при
отношении сигнал-помеха больше 17 дБ.
Показатели качества внеполосного излучения и энергетической
эффективности для рассматриваемых СКК приведены в таблице 4.1.
Анализ результатов, приведенных в таблице 4.1, показывает,
что при сравнимых значениях пик-фактора синтезированные СКК на
основе решетчатого кодирования 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 спектрально-эффективной СКК TCM PSK-8
2
( ( ))pt
].
77
Таблица 4.1 — Показатели качества СКК на основе решетчатого
кодирования
Вид СКК
TCM PSK-8
2
( ( ))pt
Синтезированные СКК
30
G
,
S
fT
3,8
5,5
60
G
,
S
fT
13,4
9,0
1,6
1,6
4.3. Процедура многокритериального синтеза
сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых»
сигналов в интересах адаптации систем передачи
информации к действию узкополосных помех
4.3.1. Особенности использования критериев качества
радиосигналов при процедуре многокритериального
синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе
«зависимых» сигналов в интересах адаптации систем
передачи информации к узкополосным помехам
В интересах дополнительного уменьшения занимаемой полосы
частот также применяют «зависимые» радиосигналы длительностью
S
T
[20], форма которых на текущем символьном интервале определя-
ется как данным информационным символом, так и одним или более
предшествующими. Это позволяет, с одной стороны, уменьшить флуктуацию огибающей при передаче подряд одинаковых информационных символов, а с другой – более эффективно реализовывать переходы
в синфазной и квадратурной составляющих при различающихся информационных символах.
Данный класс радиосигналов может быть рассмотрен как СКК,
обладающая, по сравнению с «независимыми» радиосигналами, более
сложной процедурой манипуляционного кодирования и увеличенным
объемом КА (для реализации различных состояний кодера).
78
Для уточнения постановки задачи многокритериального син-
теза необходимо ограничить класс таких СКК, используемых при
адаптации к действию УП. Как известно [27], эффективный компромисс между внеполосным излучением и энергоэффективностью реализован с помощью сигналов с FQPSK [90], которые, в свою очередь,
возможно представить в виде совокупности элементов КА [22]. При
этом выбор кодером элемента КА для FQPSK-сигналов зависит от текущего и двух предыдущих информационных символов, и, кроме того,
присутствует взаимная корреляция между синфазной и квадратурной
составляющими комплексной огибающей. Следовательно, FQPSKсигналы могут быть рассмотрены как СКК на основе «зависимых»
сигналов. Необходимо заметить, что приведенная ниже процедура
многокритериального синтеза СКК на основе «зависимых» сигналов
не теряет общности и для других видов сигналов, например EFQPSK,
CEFQPSK [22, 31, 32] и пр.
Как отмечалось выше, применение известных СКК в условиях
действия УП, спектральный состав которых может изменяться с
течением времени, не позволяет достигнуть заявленных
характеристик. Для эффективного уменьшения влияния узкополосной
помехи на ИСПИ целесообразно синтезировать СКК путем
определения КА, удовлетворяющего требованиям применяемой
процедуры кодирования (в том числе и манипуляционного) [91]. При
этом можно использовать известные процедуры кодирования и
декодирования. В данном параграфе рассматриваются СКК на основе
«зависимых» сигналов с процедурой кодирования, описанной в [22,
31], и декодированием по алгоритму Витерби [89].
Следовательно, в интересах адаптации ИСПИ к действию УП и
дополнительного сокращения внеполосного излучения целесообразно
разработать процедуру многокритериального синтеза СКК на основе
«зависимых» радиосигналов.
В [22] для представления четырехпозиционного FQPSK-сигнала
используется КА, состоящий из 16 элементов. Как отмечалось в п. 2.2,
один из способов снижения размерности задачи синтеза многопозиционных радиосигналов – определение некоторой взаимосвязи между
79
элементами КА. Тогда для случая FQPSK-сигналов можно показать
[22, 92], что для обеспечения достаточной в практических приложени-
ях помехоустойчивости при АБГШ возможно перейти к определению
только четырех сигналов
1 2 3 4
( ), ( ), ( ), ( )
F F F F
t t t ts s s s
длительностью
/2
S
T
; при этом элементы КА
0 15
( ),..., ( )ttss
длительностью
S
T
имеют
следующий вид:
0 1 1 8 0 1
1 1 2 9 1 2
2 2 1 10 2
3 2 2 11 3
4 3 3 12 4
( ) ( ) ( ), ( ) ( ), ( ) 0,
( ) ( ) ( ), ( ) ( ), ( ) 0,
( ) ( ) ( ), ( ) ( ),
( ) ( ) ( ), ( ) ( ),
( ) ( ) ( ), ( ) ( )
F F S F
F F S F
F F S
F F S
F F S
t t T t t t t
t t T t t t t
t t T t t t
t t T t t t
t t T t t t
= + − = −
= + − = −
= + − = −
= + − = −
= − − = −
s s s s s s
s s s s s s
s s s s s
s s s s s
s s s s s
3
5 3 4 13 5 4
6 4 3 14 6
7 4 4 15 7
, ( ) 0,
( ) ( ) ( ), ( ) ( ), ( ) 0,
( ) ( ) ( ), ( ) ( ),
( ) ( ) ( ), ( ) ( ).
F
F F S F
F F S
F F S
t
t t T t t t t
t t T t t t
t t T t t t
= − − = −
= − − = −
= − − = −
s
s s s s s s
s s s s s
s s s s s
(4.3)
Для рационального использования ресурсов радиоканала при
синтезе СКК целесообразно применять многокритериальный подход
[16], что обеспечивает возможность учета наиболее значимых для
ИСПИ показателей качества, а именно пропускной способности,
ослабления действия УП, внеполосного излучения, помехоустойчивости при АБГШ и энергоэффективности. В этом случае предлагается
применить целевую функцию (2.3) с модификацией критерия максимума энергоэффективности для СКК на основе «зависимых» сигналов.
В данном критерии необходимо учитывать, что используемая
процедура кодирования для рассматриваемых СКК на основе «зависимых» сигналов реализует только разрешенные переходы между элементами КА. Следовательно, при оптимизации значение квадрата коэффициента вариации мгновенной мощности СКК целесообразно вычислять по реализации, состоящей из последовательности всех разрешенных переходов между элементами КА, т.е. вместо
1
()J S
(см.
п. 1.3) использовать
2
()J S
.
Тогда, показатель качества энергоэффективности СКК на ос-
нове «зависимых» сигналов целесообразно задать в виде:
80
2
min ( )J
S
S
. (4.4)
Таким образом, в процедуре синтеза СКК на основе «зависи-
мых» сигналов в интересах адаптации ИСПИ к действию УП целесообразно применение комбинированного [17] критерия качества вида:
( )
( )
1 1 2 2 2 2
3 3 log 4 4 2
4
1
( ) ( ), ( , ) / ( ( , ) )
10 lg[ ( , )] ( ) ( ),
1; , 0; , ; , ;
, 1,16; ,
p opt k l
i i i i i k l
i
k c M d G f G f c M d
c M h G f G f c M J
c M c M c const
k l k l
=
= + +
+ − +
= =
=
S S s s
SS
s s S
(4.5)
где
i
c
– коэффициенты, определяющие вес каждого входящего крите-
рия качества;
i
M
– нормирующие коэффициенты, приводящие от-
дельные слагаемые к общему динамическому диапазону.
Как уже отмечалось, результаты синтеза, полученные при ис-
пользовании целевой функции (4.5), не содержат «худших» СКК, т.е.
не требуют дополнительного времени на отсеивание неоптимальных
решений, однако могут содержать не все «нехудшие» СКК [16]. Принимая во внимание схожесть целевых функций (4.5) и (2.3), а также то,
что синтез СКК представляет собой задачу нелинейного программирования сравнительно высокой размерности, решение которой должно
производиться в режиме реального времени, в качестве метода оптимизации целесообразно использование квазиньютоновских методов с
конечно-разностной аппроксимацией производных [39, 40].
Таким образом, процедура синтеза СКК на основе «зависимых»
сигналов в интересах адаптации ИСПИ к действию УП включает в
себя следующие этапы:
1) по полученной СПМ узкополосной помехи определяется эта-
лонная спектральная плотность мощности
()
opt
Gf
;
2) при учете соответствующих весовых коэффициентов
i
c
фор-
мируется целевая функция, согласно выражению (4.5);
3) инициализируется алгоритм определения области решений,
на первом этапе которого при помощи функциональной зависимости
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]