Автореферат (Повышение помехоустойчивости авиационных радиосистем передачи информации мониторинга)

1На правах рукописиУДК 621.396ЯЛИН АНДРЕЙ КОНСТАНТИНОВИЧПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ АВИАЦИОННЫХРАДИОСИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ МОНИТОРИНГАСпециальность: 05.12.13 – “Системы, сети и устройства телекоммуникаций”АВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание учёной степениКандидата технических наукМосква – 20132Работа выполнена на кафедре “Радиосистем управления и передачиинформации” Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета).Научный руководитель:Официальные оппоненты:Ведущая организация:Фомин Анатолий Иванович - кандидаттехнических наук, доцент, ФГБОУ ВПОМосковскийавиационныйинститут(национальныйисследовательскийуниверситет), профессорКузнецов Юрий Владимирович - доктортехнических наук, профессор, ФГБОУВПО Московский авиационный институт(национальныйисследовательскийуниверситет), заведующий кафедрой 404Чечин Геннадий Валентинович - кандидаттехнических наук, ЗАО “КВАНТ ТЕЛЕКОМ”, директор по работе соператорами связиОАО “Российские космические системы”Защита состоится “24” декабря 2013 г.

в 12:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.02 в Московском авиационном институте(государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А –80, ГСП – 3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогоавиационного института (государственного технического университета).Автореферат разослан “22” ноября 2013г.Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просимвыслать по адресу: 125993, г. Москва, А – 80, ГСП – 3, Волоколамское шоссе, д.4, Учёный совет МАИ, Учёному секретарю диссертационного совета.Учёный секретарь диссертационного советаД 212.125.02 к.т.н., доцент______________Петраков А.М.31.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыПриоритетным направлением в развитии современной авиационнойрадиосвязи является исследование и разработка радиосистем, позволяющихпередавать с борта летательного аппарата (ЛА) наземному или воздушномупункту управления информацию мониторинга земной поверхности в режимереального времени в условиях воздействия преднамеренных помех.В силу большого объёма передаваемой информации, собираемой отразличных датчиков: оптических, инфракрасных, локационных, необходимаяскорость передачи информации достигает значений 10…100Мбит / с .Современные отечественные авиационные комплексы связи работают всравнительно низких УКВ диапазонах, обеспечивая телефонную, телекодовуюсвязь со скоростью до 32[Кбит/ с].Ограничения скорости передачи информации в существующихавиационных системах связи обусловлены следующими факторами:• использование “низких” частот не позволяет применять направленныебортовые антенны из – за ограничений, накладываемых конструкциейи аэродинамикой ЛА;• снижением энергетики вследствие замираний принимаемого сигнала,вызванных интерференцией прямого сигнала и отражённого от земнойповерхности;• ограничениями масо-габаритных характеристик и величиныэнергопотребления, присущие бортовой аппаратуре ЛА;• работа в условиях возможного воздействия организованных помех, вчастности, достаточно распространённых узкополосных помех.Требуемые значения скорости передачи информации в авиационныхрадиосистемах передачи информации мониторинга достигается в результатеприменения направленных антенн, реализация которых на борту ЛА с учётомаэродинамических характеристик обеспечивается при использованиисантиметрового диапазона длин волн.Применение направленных антенн совместно с помехоустойчивымкодированием сигналов обеспечивает передачу информации при наличиизамираний с требуемой скоростью на фоне белого гауссовского шума.Однако, воздействие помех, отличающихся по своим характеристикам отбелого шума, например узкополосных, приводит к нарушению работырадиосистемы при мощности помехи, соизмеримой с мощностью сигнала навходе приёмника.

Применение известных методов сигнальной помехозащиты,основанных на использовании псевдошумовых сигналов (ПШС) и сигналов спсевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), не представляетсявозможным т. к. база ПШС при увеличении скорости передачи информации Rстремится к В → 1 и сигналы ПШС оказываются неэффективными. База4сигналов ППРЧ и их эффективность при ограниченной полосе системы так женезначительна.Известным методом ослабления помех является формирование провалов(“нулей”) в диаграмме направленности приёмной антенны в направлении наисточник помех.

Метод отличается сложностью, т.к. требует измерениякоординат источника помех, и сопровождается существенными искажениямисигнала при подавлении помех в основном лепестке диаграммынаправленности антенны. Данный метод можно считать частным случаемметода адаптивной компенсации помех, использующего пространственные,поляризационные, частотные и временные отличия сигнала и помех,позволяющие выделить компенсирующее напряжение помех и исключитьполезный сигнал.

Существенным недостатком многих компенсаторов являетсяограничение числа компенсируемых помех.Применение “обеляющих фильтров” при воздействии на вход приёмникаансамбля узкополосных помех, сопровождается значительным искажениемформы принимаемого полезного сигнала, что резко ухудшает показателикачества приёма цифровых сигналов.На основании изложенного можно считать тему данной диссертационнойработы актуальной.Цель диссертационной работы и задачи исследованияЦелью диссертационной работы является исследование влиянияузкополосных помех совместно с белым гауссовским шумом на качествоработы информационного канала и схем синхронизации с целью дальнейшегоповышения помехоустойчивости радиосистем передачи информациимониторинга в результате применения разработанного в диссертацииквадратурного компенсатора узкополосных помех.Результаты анализа помехоустойчивости радиосистемы, выполненного сиспользованием разработанных алгоритмов компенсации помех, подтвержденыпутём их дальнейшего моделирования с учётом реальных параметровдействующих авиационных радиосистем связи.Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи1.Разработка алгоритма оптимального приёма сигнала с квадратурнойманипуляцией ФМн – 4р, используемого для передачи высокоскоростнойинформации мониторинга одновременно с помехозащищённой передачейнизкоскоростной служебной информации.

Разработка модели радиосистемыформирования и приёма сигнала ФМн – 4р и оценка качества приёма сигналапо результатам моделирования.2.Анализ помехоустойчивости информационного канала и качества работысхемы синхронизации по несущей при воздействии белого гауссовского шума игармонических помех.3.Разработкаалгоритмаквадратурногокомпенсаторапомех,обеспечивающего подавление как одиночных, так и ансамбля узкополосных5помех, и моделирование разработанных алгоритмов обработки сигнала,подтверждающее эффект подавления.4.Разработка модели радиосистемы передачи информации мониторинга всигнале ФМн – 4р с использованием квадратурного компенсатораузкополосных помех. Исследование помехоустойчивости компьютерноймодели радиосистемы передачи информации мониторинга совместно сквадратурным компенсатором при воздействии различных узкополосныхпомех: гармонических, шумовых, фазоманипулированных сигналов, напримерФМн – 2.Объект исследованияОбъектом исследования являются модемы авиационных радиосистемпередачи информации мониторинга при условии воздействия на входприёмника узкополосных помех и белого гауссовского шума.Методы исследованийВ диссертационной работе для решения поставленных задачиспользовались методы и математический аппарат теории случайныхпроцессов, теории оптимального приёма, теории нелинейной фильтрациимарковских информационных сообщений и квазикогерентного приёма сигналовна фоне белого гауссовского шума, а так же теории аппроксимации.Для расчёта оценочных характеристик использовались программыкомпьютерногомоделированияиспециализированныеприкладныепрограммные продукты.Результаты аналитического расчёта проверялись экспериментально сиспользованием адекватных математических моделей.Источником исходной статистической информации являлись данныеэкспериментальных исследований и рекомендации Международного комитетапо радиосвязи (МККР), а также материалы периодической печати и источникиInternet.Научная новизна исследований, проведённых в диссертационной работе,состоит в следующем:1.Разработан алгоритм формирования и обработки сигнала ФМн – 4р вавиационныхрадиосистемахпередачиинформациимониторингаобеспечивающий одновременную передачу полезной информации и служебныхсигналов.2.Проведён анализ воздействия узкополосных помех на приёмвысокоскоростной информации.

В результате анализа получено аналитическоевыражение зависимости вероятности ошибочного приёма от отношенияпомеха/сигнал, на входе оптимального приёмника, и отношения сигнал/шум.3.Проведён анализ воздействия узкополосных помех на незащищённую отпреднамеренных помех схему синхронизации по несущей. В результате анализаполучено выражение описывающее зависимость отношения помеха/сигнал, прикотором наблюдается значительное ухудшение показателей качества схемысинхронизации по несущей, от отношения сигнал/шум.64.Разработан алгоритм компенсации узкополосных помех, основанный наквадратурной обработке принимаемого сигнала ФМн – 4р.5.Получены аналитически показатели качества работы информационногоканала в сигнале ФМн – 4р на фоне воздействия узкополосных помех с учётомприменения квадратурного компенсатора, учитывающие неточности схемысинхронизации по несущей и воздействие на помехозащищённую системусинхронизации узкополосных гармонических помех.6.С применением аппарата теории нелинейной фильтрации полученалгоритм оптимального приёма сигнала ФМн – 4р, обеспечивающийодновременную передачу высокоскоростной информации мониторинга инизкоскоростной служебной информации, включающей координаты ЛА.7.На разработанной модели радиосистемы проведено исследованиепредложенного алгоритма компенсации помех при воздействии одиночныхузкополосных гармонических помех, ансамбля узкополосных помех и ФМн – 2помеховых сигналов частично перекрывающих спектр полезного сигнала, также исследовано влияние помеховых сигналов на помехозащищённую схемусинхронизации по несущей квазикогерентного приёмника.Основные положения, выносимые на защиту1.Разработанныйалгоритмкомпенсацииузкополосныхпомех,наблюдаемых в смеси полезного сигнала и шума на основе использованияспециального квадратурного канала.

Алгоритм обеспечивает компенсациюузкополосных помех, принимаемых совместно с цифровым ФМ сигналомспектр которого в процессе компенсации не искажается, в отличии от методаоснованного на использовании обеляющего фильтра. Предлагаемый алгоритмкомпенсации узкополосных помех не является следящим.2.Способ построения модемов цифровых авиационных радиосистемпередачи информации основанный на квадратурной модуляции ФМн – 4 иобеспечивающий одновременную передачу высокоскоростной информациимониторинга в режиме реального времени и помехозащищённую передачуслужебной информации, а также защиту подсистем синхронизации отпреднамеренных помех.3.Полученныепутёммоделированиярезультатыисследованийпомехоустойчивости радиосистемы передачи информации мониторинга привоздействии на вход узкополосных помех, подавляемых квадратурнымкомпенсатором помех. При использовании для расширения спектра сигналаПСП с базой B = 2047 обеспечивается устойчивая синхронизация по несущейпри мощности помехи на 30дБ превышающей мощность полезного сигнала, апри базе B = 65535 при отношении помехи/сигнал 60дБ .4.Аналитические оценки, показателей качества работы информационногоканала и схемы синхронизации по несущей, при воздействии преднамеренныхпомех.