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
81
между синтезированными радиосигналами и внешними параметрами
задачи оптимизации вычисляется приближение КА (
С
S
). На втором
этапе производится сравнение значений целевой функции (4.5) 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;
4) при помощи квазиньютоновского метода оптимизации вы-
числяется точка приближения к экстремуму.
4.3.2. Анализ коэффициентов, определяющих важность
отдельных критериев качества синтезированных
сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых»
сигналов
Как отмечалось выше, на характеристики синтезируемых СКК
оказывают существенное влияние весовые коэффициенты
i
c
[см. вы-
ражение (4.5)]. В интересах обоснования компромиссных значений
данных коэффициентов при определении множества синтезируемых
СКК на основе «зависимых» (FQPSK-подобных) сигналов методом
имитационного моделирования по целевой функции (4.5) получены
зависимости показателей качества от коэффициентов
i
c
(см. рисунки
4.5-4.7).
При этом центральная частота УП равняется несущей полезного
сигнала, так как в этом случае оказывалось наиболее негативное воздействие на ИСПИ за счет поражения частот с высокой концентрацией
СПМ, а также затруднялось формирование провала в спектре синтезируемой СКК на основе «зависимых» сигналов. Кроме того, для сравнительного анализа на рисунках 4.6 и 4.7 приведены соответствующие
характеристики «независимых» (синтезированных в п. 3.1 при
1
0,25c =
и
3
0,3c =
) и FQPSK-сигналов.
82
Таблица 4.5 — Зависимости порога помехоустойчивости СКК
на основе «зависимых» сигналов при действии УП от весовых
коэффициентов
i
c
На рисунке 4.5 в качестве показателя подавления УП приведен
порог помехоустойчивости СКК (g), который определяется как значение, 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. В процедуре синтеза начальные условия КА
выбирались в виде значений параметров FQPSK-сигнала.
Для характеристики внеполосного излучения использовались
значения ширины СПМ СКК по уровням -30 и -60 дБ (
30
G
и
60
G
соот-
83
ветственно), а в качестве показателя энергоэффективности – пикфактор ().
Таблица 4.6 — Зависимости показателей внеполосного излучения
СКК на основе «зависимых» сигналов 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 «зависимых»
сигналов является необходимым условием их функционирования.
Следовательно, возможно варьировать только параметры
1
c
и
3
c
, так
как
4 3 2 1
1c c c c= − − −
.
При условии наличия УП (отношение сигнал-помеха равнялось
4−
дБ) наибольший приоритет приобретает критерий
( )
2
( ), ( , )
opt
d G f G f S
. Из результатов, приведенных на рисунке 4.5, сле-
дует, что эффективное подавление УП осуществляется при значениях
1
0,3c
(
3
0,5c
); для разумного использования остальных критериев
необходимо выбрать коэффициент
1
c
минимально возможным. Невы-
сокая адаптация к УП при
3
0,7c =
объясняется преобладанием в этом
случае критерия минимума внеполосного излучения.
84
Таблица 4.7 — Зависимости показателя энергоэффективности
СКК на основе «зависимых» сигналов от весовых
коэффициентов
i
c
При этом конкретные значения весовых коэффициентов целесо-
образно задавать с учетом недопущения резкого ухудшения соответствующих характеристик. Например, далее в данной работе синтез
СКК на основе «зависимых» сигналов осуществлялся при
1
0,3c =
и
3
0,3c =
. Необходимо отметить, что синтез СКК с применением аппа-
рата «зависимых» сигналов позволяет сократить ширину СПМ по
уровню
30−
дБ на 37 % (в сравнении с синтезированными радиосиг-
налами в п. 3.1 при
1
0,25c =
и
3
0,3c =
), однако формирование прова-
ла в СПМ синтезируемых СКК для адаптации ИСПИ к действию УП
не позволяет достигнуть характеристик, реализуемых FQPSKсигналами.
Из анализа рисунков 4.5-4.7 следует, что при варьировании ве-
совых коэффициентов
i
c
изменяются соответствующие им показатели
качества: g – от 7 дБ до отсутствия подавления 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.
85
4.3.3. Анализ показателей качества синтезированных
сигнально-кодовых конструкций на основе «зависимых»
сигналов при изменении параметров действующей
узкополосной помехи
Для исследования эффективности предлагаемой процедуры
многокритериального синтеза СКК на основе «зависимых» сигналов в
интересах адаптации ИСПИ к действию УП целесообразно произвести
количественную оценку показателей качества синтезированных СКК
при вариации отношения сигнал-помеха, а также осуществить сравнительный анализ как синтезированных, так и известных СКК и радиосигналов. В качестве известной СКК на основе «зависимых» сигналов
рассматривались FQPSK-сигналы.
На рисунке 4.8 представлены зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных СКК от отношения сигналпомеха (q). Здесь ширина спектра действующей УП – 5 % от ширины
СПМ синтезированной СКК на основе «зависимых» сигналов; расположение – на нулевой нормированной частоте, что соответствует несущей частоте полезного сигнала.
Из анализа рисунка 4.8 следует, что синтезированные СКК
вплоть до
3q =−
дБ сохраняют свою помехоустойчивость на уровне
(ухудшение показателя g составляет менее 1 дБ) QPSK-сигнала при
воздействии только АБГШ; для рассмотренной известной СКК и
QPSK-сигнала такие же значения показателя g достигаются при отношении сигнал-помеха больше 20 и 17 дБ соответственно.
86
Таблица 4.8 — Зависимости порога помехоустойчивости
синтезированных и известных СКК на основе «зависимых»
сигналов от отношения сигнал-помеха
Показатели качества внеполосного излучения и энергетической
эффективности для рассматриваемых СКК приведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 — Показатели качества СКК на основе «зависимых»
сигналов
Вид СКК
FQPSK-
сигнал
Синтезированная
СКК
Синтезированный
«независимый» сигнал
(п. 3.1 при
1
0,25c =
;
3
0,3)c =
30
G
,
S
fT
2,2
3,2
5,1
60
G
,
S
fT
8,3
10,6
11,1
1,0
1,4
1,4
87
Анализ результатов, приведенных в таблице 4.2 и на рисунке
4.8, показывает, что при сравнимых значениях пик-фактора и порога
помехоустойчивости g 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 синтезиру-
емых СКК для адаптации ИСПИ к действию УП не позволяет достигнуть характеристик, реализуемых FQPSK-сигналами.
4.4. Процедура многокритериального синтеза
сигнально-кодовых конструкций на основе битового
перемежения для адаптации радиосистем передачи
информации к действию импульсной пакетной
сигналоподобной помехи
4.4.1. Обоснование процедуры многокритериального
синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе
битового перемежения для адаптации радиосистем
передачи информации к действию импульсной пакетной
сигналоподобной помехи
Радиосистемы передачи информации на практике функционируют в условиях действия различного рода помех. Одним из специфических мешающих факторов является импульсная пакетная сигналоподобная помеха (ИПСП), представляющая собой преднамеренное или
случайное воздействие от радиосистем, ведущих передачу в пакетном
режиме в совпадающем частотно-временном диапазоне. При этом данный тип помех обладает, с одной стороны, выраженным импульсным
характером, а с другой – структурной схожестью с полезным радиосигналом. Действие таких мешающих факторов может привести к существенному увеличению количества ошибок, что недопустимо при
построении высоконадежного помехозащищенного канала передачи
данных.
88
В радиолиниях, подверженных влиянию замираний, сравнительно высокие показатели качества реализуют радиосистемы, осуществляющие передачу данных с помощью СКК на основе битового
перемежения (Bit-Interleaved Coded Modulation – BICM) [84, 85]. Стоит
отметить, что и в случае воздействия различного рода импульсных
помех представляется целесообразным применение систем с перемежением. Однако данные радиосистемы передачи информации все же
не реализуют потенциальные характеристики при действии ИПСП,
параметры которых способны изменяться с течением времени и могут
иметь некоторую структурную схожесть с используемыми типами
сигналов (одинаковые: длительность символьных интервалов, вид и
позиционность модуляции и пр.).
При динамическом изменении характеристик и состава помеховой обстановки высокоэффективны адаптивные радиосистемы передачи информации, использующие реконфигурирование своих параметров, в том числе на основе принципов программно-определяемого радио. Однако адаптация таких систем с помощью применения известных видов сигнально-кодовых конструкций, как в устройствах на основе технологии когнитивного радио [4...8, 93, 94], обладает рядом
недостатков: неэффективность адаптации к мешающим факторам, действующим в полосе СКК, без смены текущего диапазона частот; низкая структурная скрытность передаваемой информации. Также необходимо учитывать, что изменение алгоритма перемежения для реализации адаптации к наличию помехового воздействия ограничено, с
одной стороны, тем что СКК на основе BICM требуют независимости
битовых потоков путем максимально близкого к случайному перемежения (т.е., как правило, увеличения глубины перемежения), а с другой – снижения задержки при деперемежении на приемной стороне.
При обозначенных выше условиях целесообразно производить адаптацию к наличию ИПСП радиосистем передачи информации за счет
многокритериального синтеза СКК на основе битового перемежения
путем определения КА, так как, во-первых, это обеспечит высокую
эффективность адаптации и скорость изменения параметров рассматриваемых радиосистем [95...97], а во-вторых, в полной мере позволит
89
использовать преимущества, реализуемые за счет СКК на основе битового перемежения [98].
Для реализации многокритериального подхода в процедуре синтеза СКК целесообразно учитывать такие параметры ИСПИ, как: помехоустойчивость, спектральная эффективность и пик-фактор. Следовательно, представляет интерес учет следующих критериев качества
ИСПИ:
а) максимизация помехоустойчивости при действии ИПСП на
интеллектуальные системы передачи информации путем минимизации
взаимной корреляции между синтезируемой СКК и мешающим сигналом, в общем случае может быть задана следующим выражением [99]:
min ( , ) , , , 1, ,
k l k
H k l M =
S
s n s S
(4.6)
где
*
( , ) Re ( ) ( ) ;
S
S
T
k l k l
T
H t d
−
=−
s n M s n
,
kl
sn
– соответственно
элементы КА
()S
синтезируемой СКК и действующей ИПСП;
–
оператор усреднения по ансамблю; M – количество элементов в КА;
[]M
– оператор усреднения по временной реализации;
S
T
– длитель-
ность символа;
*
()
– операция комплексного сопряжения;
б) максимизация помехоустойчивости к наличию АБГШ при
помощи увеличения евклидова расстояния между синтезируемыми
элементами КА [95];
в) максимизация спектральной эффективности с помощью задания штрафа при превышении эталонной СПМ [96];
г) минимизация пик-фактора путем уменьшения значения квадрата коэффициента вариации мгновенной мощности СКК, вычисленного по элементам синтезируемого КА [92].
Стоит отметить, что при адаптации ИСПИ к действию СП в виде радиосигналов с прямым расширением спектра, у которых может
динамично изменяться структура сигнала (за счет вариации КП) показана целесообразность многокритериального синтеза радиосигналов с
прямым расширением спектра с помощью ВПР. Однако в интересах
сокращения вычислительной сложности при переходе от задачи дис-
90
кретного программирования к оптимизации с непрерывными переменными (так как в настоящем разделе рассматривается класс сигналов
без расширения спектра) для минимизации действия ИПСП целесообразно применять выражение (4.6). В этом случае, определить КА действующей ИПСП можно следующими способами: по априорной информации, с помощью адаптивной фильтрации, набора детекторов, а
также на основе известных способов распознавания видов модуляции
[77, 78].
Для применения эффективных алгоритмов оптимизации представим целевую функцию в виде взвешенной суммы [16] критериев
качества:
( )
( )
11
2 2 2
3 3 l
4
1
og
2
44
4
1
( ) ( ) ( , )
/ ( ( , ) )
10 lg[ ( , )] ( )
[ ( )]/ ( [ ( )]) ,
1; , 0; , ; , ; , 1, ,
p i i k l
kl
мгн мгн
i i i i i k l
i
i
i
k c M H
c M d
c M h G f G f
c M D P M P
c M c M c const M
cM
kl
K
=
=
= +
+ +
+ − +
+
= = =
=
S S s n
ss
S
SS
s s S
(4.7)
где
i
c
и
i
M
– соответственно коэффициенты, задающие для частных
критериев качества
i
K
вес (значимость) и масштаб (для приведения в
общий динамический диапазон).
Для эффективного выполнения минимизации по функции (4.7),
имеющей нелинейный характер, а также с учетом высоких требований
к скорости сходимости, представляется целесообразным использовать
квазиньютоновский (с конечно-разностной аппроксимацией производных) алгоритм оптимизации [39, 40].
Таким образом, процедура синтеза СКК на основе битового перемежения в интересах адаптации ИСПИ к действию ИПСП включает
в себя следующие этапы:
а) определяется канальный алфавит действующей ИПСП (на основе одного из следующих способов: по априорной информации, с
помощью адаптивной фильтрации, набора детекторов или же на основе известных способов распознавания видов модуляции);
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]