Разработка устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов для цифровых систем передачи информации

В перспективных планах развития динамически развивающихся отраслей (нефтяной, газовой и др.) все большее внимание придается задачам мониторинга и управления удаленными объектами. Решение подобных задач требуется также в коммунальном городском хозяйстве. Системы газо-, водо-и теплоснабжения требуют оперативного и централизованного сбора технологической информации с многочисленных оконечных распределительных пунктов, оценки состояния объектов и, при необходимости, срочного вмешательства с целью предотвращения утечки или аварии. Аналогичные задачи стоят при управлении производственными процессами и охране разнообразных объектов, при оптимизации работы транспорта.

Одной из ключевых задач проектирования систем мониторинга и управления распределенными объектами является организация подсистем сбора и доставки информации, служебной связи. Прокладка кабельных линий связи до каждого объекта часто невозможна по техническим или финансовым соображениям. Одним из эффективных путей по обеспечению передачи информации является использование радиоканалов, что обусловлено факторами экономичности, мобильности и оперативности.

При использовании радиоканалов для передачи информации необходимо обеспечить надежную работу в условиях совместного использования выделенного частотного ресурса многочисленными радиоэлектронными системами. В связи с постоянным ростом количества и типов радиоэлектронных средств решить задачу достоверного приема информации в условиях сложной помеховой обстановки можно только за счет увеличения мощности радиопередающих устройств. Но введение в эксплуатацию радиоэлектронных систем с повышенным энергетическим потенциалом радиопередающих средств увеличивает уровень электромагнитного загрязнения [1]. Рост излучаемой мощности ограничен установленными пределами безопасности для человеческого организма и нормами, ограничивающими уровни мощности внеполосных радиоизлучений [2], побочных радиоизлучений [3] и индустриальных радиопомех [4,51.

Другой актуальной задачей, требующей решения, является повышение уровня конфиденциальности передаваемой по радиоканалу информации. Требование повышения степени защиты информации наиболее остро проявилось в современных условиях. Обеспечение информационной безопасности каналов сбора информации становится еще более актуальным в рамках декларированной программы усиления антитеррористической деятельности. В условиях усиления конкурентной борьбы возрастает роль защиты информации и в радиоканалах, используемых коммерческими структурами.

Значительно снизить степень электромагнитного загрязнения с одновременным повышением уровня конфиденциальности передаваемой информации при использовании радиоканала в цифровых системах передачи информации (СПИ) можно в случае использования сигналов с расширением спектра — шумоподобных сигналов (ШПС) [6−18].

Цифровые СПИ на основе ШПС обладают рядом важных преимуществ перед традиционными узкополосными системами, в частности, им не требуется выделенный частотный диапазон. Сегодня, когда частотные диапазоны — один из дорогих и дефицитных товаров, подобное свойство особенно привлекательно. Системы с ШПС имеют повышенную помехоустойчивость при воздействии преднамеренных и естественных помех, высокую энергетическую скрытность сигналов, повышенную пропускную способность, устойчивость к многолучевости и т. д.

Основой для формирования ШПС служат псевдослучайные кодовые последовательности (ПСП), используемые для модуляции сигнала несущей частоты. Свойства цифровых СПИ с ШПС непосредственно зависят от характеристик применяемых ПСП, основными из которых являются: «хорошие» автокорреляционные и взаимнокорреляционные характеристики, сбалансированность структуры, высокая эквивалентная линейная сложность, большой ансамбль сигналов, простота генерации [12−17,19−22].

Большинство известных ПСП не удовлетворяют в полной мере поставленным требованиям. Поэтому научная активность в области отыскания новых законов формирования ПСП остается устойчиво высокой, вследствие чего номенклатура ПСП постоянно расширяется. Возникла необходимость систематизировать известные и вновь разработанные ПСП, чтобы обеспечить возможность обоснованного выбора ПСП при проектировании цифровых СПИ.

Все ПСП условно можно разделить на линейные и нелинейные [1217,19−22]. Нелинейные последовательности значительно превосходят линейные ПСП по структурной скрытности, но для их генерации необходимы более сложные устройства формирования [22]. Повысить структурную скрытность позволяет также использование многозначных символов для построения ПСП, но за счет значительного усложнения схем формирования и обработки [16,21].

Широкое распространение для формирования ЩПС вследствие простоты генерирования и обработки получили линейные рекуррентные последовательности [6,8,13−16]. При использовании таких последовательностей повышения степени конфиденциальности можно достичь за счет увеличения базы сигнала, что усложняет процесс установления кодовой синхронизации. Существующие алгоритмы поиска ШПС для обеспечения кодового синхронизма имеют высокую вычислительную сложность или не удовлетворяют требованиям быстродействия.

Поэтому не прекращаются интенсивные исследования в области разработки методов и устройств быстрого поиска ШПС как у нас в стране, так и за рубежом. Если ранее сдерживающим фактором для внедрения методов быстрого поиска ШПС являлось недостаточное развитие элементной базы, то на современном этапе имеются признаки «дефицита» алгоритмов. Следовательно, разработка новых и совершенствование известных алгоритмов и устройств быстрого поиска (УБП) ШПС является актуальной задачей. .

К перспективным алгоритмам поиска относят метод последовательной оценки символов и его модификации [23−28]. Однако, известные методы последовательной оценки символов с увеличением длины ПСП не всегда позволяют достичь приемлемых уровней помехоустойчивости и времени вхождения в кодовый синхронизм.

Повысить помехоустойчивость метода последовательной оценки символов и сократить время вхождения в кодовый синхронизм можно за счет использования статистической избыточности, заложенной при кодировании в ПСП [29−32]. Применение в диссертационной работе аппроксимации ПСП сложной цепью Маркова и теории нелинейной фильтрации марковских процессов позволили получить рекуррентные уравнения фильтрации ШПС, на основе которых синтезированы УБП [А1,А2]. Результаты исследований помехоустойчивости разработанных устройств поиска бинарных ШПС [AI, A8, A11] показали более высокую эффективность, чем устройства поиска ШПС, предложенные Р. Уордом [33].

Важным достоинством разработанных устройств, является то, что в условиях априорной неопределенности о времени прихода ШПС они хорошо приспособлены для построения простых в реализации адаптивных устройств поиска ШПС с лучшими характеристиками, чем без адаптации.

В результате исследований установлено, что адаптивные устройства поиска ШПС обладают лучшими статистическими характеристиками обнаружения и распознавания, чем неадаптивные [А1,А8,А11]. Также в адаптивных устройствах поиска по сравнению с неадаптивными при отсутствии ШПС уменьшается время поиска ШПС за счет снижения количества ложных тревог. Сокращение времени поиска пропорционально получаемому за счет нелинейной фильтрации выигрышу в отношении сигнал-шум.

Быстрое совершенствование элементной базы, автоматизированных средств проектирования электронной аппаратуры, методов цифровой обработки сигналов, телекоммуникационных и информационных технологий позволяет сократить разрыв между теорией и практикой. С учетом этих требований разработаны принципы программно-аппаратурной реализации, на основе которых получены,.обеспечивающие минимум технических и временных ресурсов, варианты реализации основных блоков синтезированных устройств.

Указанные выше методы обработки ШПС основывались на предположении, что все параметры сигнала, за исключением информационного, известны, и на входе УБП действует только белый гауссовский шум. Такой подход является обоснованным, так как позволяет получить результаты, близкие к потенциально возможным.

В действительности на входе УБП цифровых СПИ могут воздействовать помехи, различные по мощности и характеру. Во многих фундаментальных работах по теории ШПС указано, что наиболее опасными для цифровых СПИ с ШПС являются мощные узкополосные, в частности гармонические помехи [3,11,35].

Исследования показали, что мощные гармонические помехи могут полностью нарушить нормальное функционирование разработанных устройств поиска ШПС [А2,А12,А13]. Важным достоинством синтезированных УБП, предназначенных для поиска ШПС в белом гауссовском шуме, является способность обнаруживать стационарные мощные гармонические помехи за счет структурных различий ШПС и гармонических помех.

Данные особенности синтезированных устройств поиска позволили разработать эффективный и простой в реализации метод подавления гармонической помехи, применимый в условиях полной или частичной информации о ее параметрах. Так, незначительное усложнение структуры УБП с нелинейным фильтром позволяет одновременно с поиском ШПС измерять цифровыми методами амплитуду и частоту обнаруженной гармонической помехи, а полученные оценки параметров помехи использовать для ее компенсации [А2,А13].

Проведенные в работе исследования показали высокую эффективность методов ослабления негативного действия гармонической помехи на устройство быстрого поиска ШПС.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов и устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов при наличии белого гаус-совского шума и мощных гармонических помех в цифровых системах передачи информации, обеспечивающих низкий уровень электромагнитной загрязненности и повышенную степень конфиденциальности.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Проведение систематизации существующих ПСП, которая позволит обеспечить при проектировании цифровых СПИ обоснованный выбор ПСП на основе системного анализа их характеристик. Использование полученных результатов для анализа методов поиска ШПС и выбора метода, обеспечивающего сокращение времени поиска ШПС при допустимых технических затратах.

2. Разработка алгоритма и устройства нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на двоичных линейных рекуррентных последовательностях, базирующихся на представлении ПСП марковским процессом с конечным числом состояний, и синтеза на основе разработанного метода структуры устройства поиска ШПС при действии белого га-уссовского шума.

3. Разработка метода адаптивной фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на двоичных линейных рекуррентных последовательностях, и синтеза на его основе алгоритмов и структур УБП ШПС в условиях априорной неопределенности о времени появления ШПС, позволяющих сократить время поиска ШПС.

4. Исследование механизма возникновения ошибок в адаптивном и неадаптивном УБП и помехоустойчивости разработанных устройств поиска в условиях действия белого гауссовского шумапроведение количественного и качественного анализа статистических характеристик УБП.

5. Разработка метода и устройства защиты УБП ШПС от мощной гармонической помехи и исследование эффективности устройства защиты.

6. Разработка принципов программно-аппаратной реализации разработанных УБП.

При теоретических исследованиях используются методы статистической теории связи, теории оптимальной нелинейной фильтрации, теории условных марковских процессов, математической статистики и методы статистического моделирования на ЭВМ.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

1. Результаты систематизации и системного анализа характеристик псп.

2. Алгоритм и структура УБП, которые базируются на нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС и позволяют по сравнению со стандартным методом последовательной оценки символов сократить время поиска ШПС при небольших затратах технических ресурсов.

3. Метод и структура адаптивной фильтрации дискретного параметра ШПС, обеспечивающие при отсутствии априорной информации о времени прихода искомого ШПС высокий уровень системных характеристик цифровых СПИ.

4. Результаты количественного и качественного анализа помехоустойчивости и временных параметров УБП при наличии белого гауссовского шума.

5. Метод защиты УБП от мощной гармонической помехи, основанный на свойстве нелинейного фильтра УБП обнаруживать гармоническую помеху за счет структурного отличия от искомого ШПС и оценивании цифровыми способами параметров помехи.

6. Результаты исследований эффективности блока защиты УБП от мощной гармонической помехи.

Новизна научных результатов состоит в следующем:

1. Проведенная систематизация ПСП обеспечивает при проектировании цифровых СПИ условий обоснованного выбора ПСП на основе системного анализа их характеристик и использование полученных результатов для выбора метода поиска ШПС, обеспечивающего сокращение времени поиска ШПС при невысоких аппаратурных затратах.

2. Представление двоичных рекуррентных ПСП в виде цепи Маркова позволило расширить рамки применимости теории условных марковских процессов в задачах синтеза алгоритмов и устройств поиска ШПС и выразилось в расширении класса фильтруемых процессов.

3. Разработанный метод адаптивной фильтрации дискретного параметра ШПС обеспечивает по сравнению со стандартным методом последовательной оценки символов сокращение времени поиска ШПС за счет повышения устойчивости режима фильтрации ШПС и снижения уровня ложных тревог.

4. Полученные аналитические выражения позволяют быстро получать количественные оценки помехоустойчивости и времени распознавания ШПС.

5. Разработанный метод защиты УБП от мощной гармонической помехи использует для ее обнаружения имеющиеся технические ресурсы УБП.

Практическая ценность результатов заключается в следующем:

1. Разработанные алгоритмы и структуры УБП позволяют применять ШПС для передачи информации в системах управления и контроля, что обеспечивает за счет снижения мощности передатчиков низкий уровень электромагнитной загрязненности и хорошую электромагнитную совместимость с другими системами, повышает степень конфиденциальности передаваемой информации.

2. Разработанные устройства ориентированы на практическую реализацию малыми техническими ресурсами и позволяют сократить время кодовой синхронизации в задачах поиска ШПС при наличии белого гауссовского шума и мощной гармонической помехи.

3. Структура разработанного блока защиты от мощной гармонической помехи обеспечивает подавление помехи в УБП без значительного усложнения структуры.

4. Разработаны рекомендации по цифровой реализации основных блоков УБП на программируемых СБИС с применением компьютерных методов проектирования радиоэлектронной аппаратуры.

5. Разработано прикладное программное обеспечение для исследований помехоустойчивости УБП с нелинейным фильтром с постоянными и переменными параметрами в условиях раздельного и совместного воздействия любых сочетаний ШПС, шума и гармонических помех.

Разработанные алгоритмы и структуры устройств быстрого поиска внедрены в разработках для передачи телеметрической информации в ОАО «ВолгаТелеком» и ГП «Автоматика и вычислительная техника» и подтверждены актами внедрения. Полученные теоретические результаты легли в основу учебного пособия, которое совместно с разработанным прикладным программным обеспечением используются в ВятГУ на кафедре радиоэлектронных средств в учебном процессе по дисциплинам «Теория оптимального приема сигналов», «Теория информации и кодирования», «Телекоммуникационные технологии», о чем свидетельствует акт внедрения в учебный процесс.

Работа состоит из четырех глав.

В первой главе проводится анализ выбранной области исследований. С этой целью рассмотрены свойства ШПС, обеспечивающие высокую энергетическую скрытность сигналов цифровых СПИ, снижение мощности передаваемого сигнала, хорошую электромагнитную совместимость с другими системами. Выполнена систематизация известных ПСП, которые применяются для построения ШПС. Проведен анализ свойств и способов формирования ПСП, характеризующих приспособленность ПСП для применения в цифровых СПИ. Особое внимание уделено анализу методов кодовой синхронизации на основе быстрого поиска ШПС.

Установлено, что наиболее перспективными являются устройства поиска с последовательной оценкой символов, требующие для обнаружения и распознавания ШПС малых технических и временных ресурсов. Основой метода является предположение о возможности использования генератора ПСП на основе регистра сдвига для получения оценок символов ПСП искомого ШПС. Ограничивает применение метода недостаточная помехоустойчивость. Одним из возможных путей повышения помехоустойчивости метода является его оптимизация на основе синтеза алгоритмов и устройств, реализующих статистическую избыточность ПСП. Для решения данной задачи предлагается аппроксимировать ПСП сложной цепью Маркова и применить теорию нелинейной фильтрации марковских процессов.

В результате анализа области исследований очерчен и конкретизирован круг решаемых в работе исследований, определяющих актуальность поставленных в диссертации задач.

Во второй главе на основе представления двоичной рекуррентной последовательности сложной цепью Маркова с двумя состояниями, в которой каждый последующий символ однозначно определяется /w-значной комбинацией предыдущих символов получено уравнение фильтрации дискретного параметра ШПС. На базе разработанного алгоритма синтезировано УБП на основе нелинейного фильтра для поиска ШПС при постоянном значении параметра ри, являющегося элементом матрицы вероятностей перехода. Разработан метод адаптивной нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, базирующийся на представлении двоичной ПСП искомого ШПС цепью Маркова с переменной матрицей вероятностей переходов. Исследован механизм нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС разработанных УБП и проведено исследование помехоустойчивости адаптивного и неадаптивного УБП с нелинейным фильтром.

В третьей главе получены выражения для статистических характеристик обнаружения ШПС в УБП с НФ. Определен выигрыш во времени распознавания ШПС на выходе адаптивного и неадаптивного УБП с нелинейным фильтром по сравнению с методом Уорда. Определено соотношение во времени распознавания ШПС на выходе адаптивного и неадаптивного УБП. Проведено исследование времени распознавания адаптивного и неадаптивного УБП ШПС. Разработаны принципы программно-аппаратурной реализации, на основе которых получены, обеспечивающие минимум технических и временных ресурсов, варианты реализации основных блоков синтезированных устройств.

В четвертой главе проведен анализ воздействия гармонической помехи на УБП с нелинейным фильтром, предложен метод борьбы с гармонической помехой, основанный на структурных различиях ШПС и гармонической помехи. Разработаны блоки оценивания в цифровой форме параметров гармонической помехи и компенсации мощных гармонических помех. Проведено исследование эффективности разработанного устройства защиты УБП ШПС от мощных гармонических помех.

Основные результаты диссертации опубликованы в 21 работе, в том числе 17-и статьях и тезисах в научно-технических журналах и сборниках трудов, учебном пособии с грифом УМО и трех отчетах по госбюджетным НИР.

Основные результаты диссертации опубликованы в 21 работе, в том числе 17-и статьях и тезисах в научно-технических журналах и сборниках трудов, учебном пособии с грифом УМО и трех отчетах по госбюджетным НИР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы разработана методологическая база для использования УБП ШПС в цифровых системах передачи информации с целью снижения электромагнитной загрязненности и повышения уровня конфиденциальности в условиях действия белого гауссов-ского шума и мощных гармонических помех. Основным итогом диссертации является решение научно-технической задачи разработки, анализа и реализации минимальными техническими и временными ресурсами новых алгоритмов и структур УБП на основе использования нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на рекуррентных ПСП.

Основные научные результаты.

1. Проведена систематизация ПСП, которая обеспечивает при проектировании цифровых СПИ условия обоснованного выбора ПСП на основе системного анализа их характеристик и использование полученных результатов для выбора метода поиска ШПС, обеспечивающего сокращение времени поиска при невысоких аппаратурных затратах.

2. Разработаны алгоритм и структура УБП ШПС, формируемых на двоичных рекуррентных ПСП, базирующиеся на нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, позволяющие достигнуть сокращения времени установления кодовой синхронизации и не требующие для своей реализации значительных технических и временных ресурсов.

3. Разработаны метод и структура адаптивной фильтрации дискретного параметра ШПС, основанные на представлении двоичных ПСП искомого ШПС цепью Маркова с переменной матрицей вероятностей переходов, значения которой в каждом такте работы системы изменяются по результатам сравнения текущей оценки символа ПСП искомого ШПС и экстраполированной на такт оценки ожидаемого символа, полученной в УБП с НФ. Это позволяет при отсутствии априорной информации о времени прихода искомого ШПС достигнуть по сравнению со стандартным методом последовательной оценки символов более высокого уровня системных характеристик цифровых СПИ.

4. Осуществлен количественный и качественный анализ помехоустойчивости и временных параметров УБП ШПС при наличии белого гауссовского шума, мощной гармонической помехи.

5. Разработан метод защиты от мощной гармонической помехи на основе обнаружения и измерения в цифровом виде параметров помехи за счет использования имеющихся технических ресурсов адаптивного УБП ШПС, что позволяет обеспечить её компенсацию за счет незначительного усложнения структуры УБП с НФ.

6. Проведены исследования эффективности блока защиты УБП ШПС от мощных гармонических помех.

Практические результаты работы.

1. Разработанные алгоритмы и структуры УБП позволяют применять ШПС для передачи информации в системах управления и контроля, что обеспечивает за счет снижения мощности передатчиков низкий уровень электромагнитной загрязненности и хорошую электромагнитную совместимость с другими системами, повышает степень конфиденциальности передаваемой информации.

2. Разработанные устройства ориентированы на практическую реализацию малыми техническими ресурсами и позволяют сократить время кодовой синхронизации ШПС в задачах поиска ШПС при наличии белого гауссовского шума и мощной гармонической помехи.

3. Структура разработанного блока защиты от мощной гармонической помехи обеспечивает ее подавление без значительного усложнения структуры УБП ШПС.

4. Разработаны рекомендации по цифровой реализации основных блоков УБП на программируемых СБИС с применением компьютерных методов проектирования радиоэлектронной аппаратуры.

5. Разработано прикладное программное обеспечение для исследований помехоустойчивости устройств поиска на базе УБП с постоянными и переменными параметрами в условиях раздельного и совместного воздействия любых сочетаний ШПС, шума и гармонических помех.

Разработанные алгоритмы и структуры УБП внедрены в разработках для передачи телеметрической информации в ОАО «ВолгаТелеком и ГП «Автоматика и вычислительная техника» и подтверждены актами внедрения. Полученные теоретические результаты легли в основу учебного пособия, которое совместно с разработанным прикладным программным обеспечением используются в ВятГУ на кафедре радиоэлектронных средств в учебном процессе по дисциплинам «Теория оптимального приема сигналов», «Теория информации и кодирования» и «Телекоммуникационные технологии» и рекомендованы УМО по образованию в области телекоммуникаций для использования в других профильных вузах.