Методы и устройства унифицированной обработки связных и навигационных сигналов в малогабаритных спутниковых станциях

Обеспечение современных требований к абонентским носимым терминалам систем спутниковой связи нового поколения основано на решении следующих задач.

1) Разработка аппаратуры на базе сверхбольших интегральных схем и сигнальных процессоров с малым энергопотреблением.

2) Возможность использования программируемых устройств абонентских мобильных терминалов для приёма сигналов различного вида [1].

3) Расширение спектра услуг связи, среди которых находится навигационное обеспечение абонентов [2−5].

В результате решения первой задачи появились малогабаритные носимые станции типа VSAT (Very Small Aperture Terminal) и USAT (Ultra Small Aperture Terminal), что обусловлено рядом преимуществ этой технологии: относительно малым диаметром антенн, большим диапазоном скорости передачи от 1,2 кбит/с до 2,048 Мбит/с, маломощными передатчиками [1].

Для решения второй и третьей задач на практике используется комплекси-рование различных подсистем радиоприёмных устройств связи и навигации [2, 6−7]. Однако не существует унифицированных абонентских терминалов, предназначенных для приёма как связных сигналов различного вида, так и навигационных сигналов с использованием единых принципов их обработки. В связи с этим возникает необходимость проведения исследования в области создания модемов носимых малогабаритных станций, в которых первичная обработка связных и навигационных сигналов реализуется в едином унифицированном аналого-цифровом устройстве.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методов и унифицированной структуры устройств первичной аналого-цифровой обработки узкополосных и широкополосных связных сигналов, а также навигационных сигналов систем ГЛОНАСС и GPS.

При этом рассматривается приём как узкополосных непрерывных сигналов (УПС) с относительной фазовой манипуляцией для четырёх скоростей передачи, так и широкополосных сигналов (ШПС) с прямым расширением спектра путём введения бифазной манипуляции псевдослучайной последовательностью (ПСП) [8]. Наряду со связными сигналами в рамках унифицированной системы первичной обработки должны обрабатываться и навигационные сигналы (НВС) открытого доступа.

Важно отметить, что в диссертации исследуются возможности создания устройства, работающего в условиях малого отношения сигнал/шум при большой неопределённости значения уходов частоты несущего колебания. Важной стороной этой задачи является минимизация энергетических потерь в демодуляторе (снижение вероятности ошибки на символ).

Сформулируем основные требования, предъявляемые к рассматриваемому унифицированному устройству первичной аналого-цифровой обработки сигналов и параметры модема.

1. Связные УПС и ШПС.

1.1 Имеют четыре скорости передачи информации — 1,2- 2,4- 4,8 и 9,6 кбит/с. Скорость кодирования — ½. Вид модуляции — относительная ФМ-2.

1.2. УПС используются в режиме с частотным разделением каналов.

1.3. ШПС используются в режиме с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access).

1.4. Ширина спектра ШПС — 2,5 МГц.

1.5. При обработке ШПС количество внутрисистемных помех не превышает 50;

1.6. Минимальное отношение сигнала к шуму (шум+внутрисистемные помехи) составляет 1,5 дБ.

1.7. Отклонения частоты несущей — ± 4 кГц.

2. Спутниковые навигационные системы (СНС) типа ГЛОНАСС и GPS (открытый код).

2.1. Скорость передачи информации — 50 бит/с.

2.2. Минимальное отношение сигнала к шуму — 18,3 дБ.

2.3. Уходы частоты несущей — ± 5 кГц.

3. Полный динамический диапазон УПС, ШПС и НВС составляет 20 дБ.

4. Энергетические потери при демодуляции должны быть менее 1 дБ.

В диссертационной работе предполагается, что указанное устройство имеет высокую стабильность параметров задающих генераторов и малую динамику изменения частоты сигнала. Кроме того, рассматривается возможность ком-плексирования структуры устройства первичной обработки сигналов (УСПОС), в котором с целью уменьшения количества операций, обычно выполняемых сигнальным процессором модема, наиболее быстрые операции реализованы с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). В модеме также допустимо применение многоразрядных АЦП.

В соответствии с целью работы, а также с учётом оговорённых условий и требований, предъявляемых к модему, в диссертации решаются следующие задачи:

1. разработка методов и устройств унифицированной обработки УПС, ШПС и НВС;

2. разработка методов обнаружения УПС, ШПС и НВС с одновременной оценкой значений сопутствующих параметров;

3. анализ работы корреляционного демодулятора с учётом действия шума и внутрисистемных помех;

4. разработка программного комплекса для анализа процессов и оптимизации параметров унифицированной структуры обработки сигналов.

На основании обзора литературы [2, 6−23, 26, 27, 29, 33, 34, 60], где рассмотрены различные варианты построения схем первичной обработки сигналов связи и навигации и рассмотрения собственных вариантов схем, выдвигаются конкретные предложения по структуре, алгоритмам работы унифицированной системы обработки и её составных частей, которые позволяют оптимизировать показатели качества приёмного устройства в целом.

Оптимизация структурной схемы и параметров входящих в неё блоков проводилось на имитационной модели по критерию минимума энергетических потерь демодуляции с учётом ограничения на количество отсчётов на символ.

В работе рассматриваются два основных этапа функционирования УСПОС: вхождения в связь и демодуляции символов сигнала. На первом этапе осуществляется обнаружение сигнала, для ШПС — поиск и обнаружение, а на втором этапе начинают работать системы частотной и временной синхронизации и после достижения стационарного режима в следящих кольцах осуществляется демодуляция принимаемых сигналов.

В структурном отношении тракт обработки состоит из аналоговых блоков, АЦП на промежуточной частоте, цифрового комплексного преобразователя с ориентацией на ПЛИС-исполнение и сигнального процессора. Такая структура даёт возможность гибко переходить от приёма сигнала одного типа к другому.

Важным обстоятельством при выборе предлагаемых к реализации решений было требование минимизации массы и габаритов, минимума обслуживания и ограниченность энергопотребления, характерного для станций данного класса. Немаловажной была и стоимость компонентов и устройства в целом.

Диссертация состоит из четырёх глав, введения, заключения и 7 приложений.

Первая глава посвящена обоснованию и разработке унифицированной системы первичной обработки сигналов связи и навигации. Даны характеристики использованных сигналов и помех. Описан состав и задачи, решаемые отдельными блоками предлагаемой обобщенной структуры первичной обработки сигналов. Описан универсальный блок предварительной обработки связных и навигационных сигналов. Приведены общие структурные схемы обработки узкополосных и широкополосных сигналов в рамках унифицированной системы. Дана постановка задач, решаемых в диссертации.

Во второй главе исследуется режим обнаружения связных и навигационных ФМ-2 сигналов в условиях априорной неопределённости в рамках унифицированной системы обработки сигналов. Описаны алгоритмы обнаружения УПС, ШПС и НВС. Рассчитаны статистические характеристики обнаружителя УСПОС. На основе статистического моделирования определены основные параметры блоков обнаружителя при приёме различных сигналов. Получены характеристики обнаружения УПС, ШПС и НВС на фоне шума и внутрисистемных помех. Предложена процедура формирования адаптивного порога ШПС при приёме сигнала на фоне шума и внутрисистемных помех в условиях априорной неопределённости параметров помех.

В третьей главе рассчитаны характеристики демодулятора ФМ сигналов унифицированной структуры обработки. Описаны структурные схемы демодуляции УПС, ШПС и НВС. Определены основные характеристики подсистем ЦФАП, СТС, ССЗ и АРУ, обеспечивающих функционирование демодулятора. Оценены вероятности ошибки на символ и энергетические потери демодуляции УПС, ШПС и НВС при действии шума и смеси шума и внутрисистемных помех.

Четвертая глава содержит результаты разработки имитационной модели УСПОС. В первой части приведено описание основных функциональных блоков модели на этапе обнаружения и демодуляции УПС, ШПС и НВС. Во второй кратко описан состав и программная реализация модели. Охарактеризованы особенности проведения статистических экспериментов.

В приложениях приведены следующие результаты: синтеза 50 ПСП ансамбля специально отобранных кодов Голдаисследования различных алгоритмов децимации и фильтрации в дециматорах цифрового квадратурного преобразователя устройства первичной обработки УПС, ШПС и НВСвычисления шумовой полосы канала процессора Фурьерасчёта математического ожидания комплексного спектра ФМ-2 сигнала на выходе квадраторарасчёта интегральной функции распределения максимума модулей отсчётов спектра шума на выходе процессора Фурьерасчёта коэффициента корреляции отсчётов комплексного спектра на выходе процессора Фурьекроме того, приведены значения коэффициентов всех цифровых фильтров УСПОС.

Полученная в диссертации структура УСПОС может быть использована при разработке модемов носимых спутниковых станций связи и навигации.

Диссертация выполнена на кафедре радиоприёмных устройств Института радиотехники и электроники Московского энергетического института (Технического университета).

Я бы хотел высказать глубокую благодарность коллективу кафедры РПУ МЭИ, многочисленным сотрудникам кафедры, консультировавшим меня, в том числе доценту Лишаку М. Ю., и особенно моему научному руководителю к.т.н. доценту Юрию Николаевичу Антонову-Антипову за исключительно благожелательное отношение ко мне, за передачу мне большого объёма знаний по современным радиотехническим системам.

Также хотелось бы отметить большую помощь, оказанную мне моей женой и всей моей семьёй.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических семинарах кафедры Радиоприёмных устройств МЭИ (ТУ): «Исследование алгоритмов аналого-цифровой обработки узкополосного сигнала ФМ-2 для различных скоростей передачи» (9 апреля 2002), «Алгоритм предварительной обработки сигналов ФМ-2 с реализацией на ПЛИС в задаче обнаружения» (11 декабря 2002), «Поиск и обнаружение ШПС в спутниковых малогабаритных приёмных устройствах на фоне интенсивных шумов и внутрисистемных помех» (5 ноября 2003) — на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2002, 2003 и 2004), Международной научной конференции «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В. А. Котельни-кова» (Москва, 2003).

По теме диссертации опубликовано 12 работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена разработке методов и устройств первичной аналого-цифровой обработки связных и навигационных сигналов в малогабаритных станциях спутниковой связи.