Тема: ШИРОКОПОЛОСНАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Системы связи, в которых псевдослучайная последовательность используется для расширения спектра, были разработаны еще в первой половине прошлого века. На тот момент они рассматривались, лишь как теоретическая возможность улучшить имеющиеся узкополосные системы, и не были включены в конструкторские решения из-за сложности, связанной с элементной базой, которая на то время не позволяла реализовать устройства формирования и обработки в приемлемых габаритах. Еще одной причиной, по которой интерес к таким системам связи не возрос в те времена, является отсутствие необходимости иметь высокую помехозащищенность каналов связи, поскольку мощности помех были невысоки. Сегодня, в условиях городской застройки и наличия огромного числа излучателей , мощность помех на входе приемника может в несколько раз превышать мощность полезного сигнала[1, 2].
К началу 21 века ситуация в плане материальной базы изменилась, и на смену гигантским аналоговым схемам, приходят программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) с меньшими размерами и огромными возможностями, самые распространённые и доступные для исследователя схемы включают в себя до 1-го миллиона логических единиц, что умещается на плате размером 20 см2, по скорости обработки сигналов у таких микросхем нет аналогов. Такая скорость достигается за счет параллельного вычисления, что отличает ПЛИС от процессорных систем. Еще одним достоинством является возможность многократного программирования кристалла, что позволяет дорабатывать устройство, просто перезаписав файл прошивки.
Все эти факторы приводят к тому, что интерес к цифровым системам, использующим для расширения спектра цифровые псевдослучайные последовательности, растет с каждым днем. Решено немало важных проблем связанных с передачей и приемом сверхширокополосных сигналов. Главным достоинством таких систем, является возможность разделения абонентов в канале связи за счет использования отличных друг от друга псевдослучайных последовательностей.
Основная проблема при практической реализации широкополосных систем связи заключается в синхронизации генераторов псевдослучайных последовательностей на приемной и передающей сторонах канала связи.
В данной работе предложен один из способов решения этой проблемы, который заключается в одновременной передаче по каналу связи информационного и сигнального сообщения, последний из которых используется для перезапуска источников случайных последовательностей. Это позволяет реализовать процедуру когерентного приема информационного сообщения и его успешную демодуляцию.
На защиту выносятся следующие защищаемые положения:
1) В системе связи с цифровой псевдослучайной модуляцией отношение сигнал/шум на выходе коррелятора в приемном тракте определяется отношением длительности модуляционного символа к масштабу корреляции псевдослучайного модулирующего цифрового сигнала и, как следствие, обратно пропорционально скорости передачи информации, что позволяет варьировать помехоустойчивость такой системы связи в широких пределах.
2) Синхронизация приемного и передающего устройств, в системе связи с псевдослучайной цифровой модуляцией, возможна за счет взаимной некоррелированности разных псевдослучайных последовательностей. Это позволяет реализовать одновременную передачу по каналу связи сигнального (синхронизирующего) и информационного сообщения, без взаимного влияния.
В первой главе описаны основные свойства сигналов с расширенным спектром. Рассмотрены существующие способы реализации широкополосных систем связи.
Вторая глава посвящена разработке алгоритмов работы модулятора и демодулятора с псевдослучайной цифровой модуляцией. Обоснован выбор способа включения информационного сообщения в физический переносчик (высокочастотный сигнал). Предложен способ решения проблемы синхронизации устройств, на приемной и передающей сторонах канала связи.
В третьей главе изложены основные требования к среде моделирования, на основании которых, проанализирован список имеющихся программных решений, предоставляющих пользователю возможность работы с дискретным временем. В качестве основного инструмента для моделирования работы системы связи с псевдослучайной цифровой модуляцией выбрана среда математического моделирования MatLab/Simulink. Изложено описание среды MatLab/Simulink и представлены ее основные достоинства.
В четвертой главе проведено численное моделирование предложенных методов алгоритмов разработанной системы связи с псевдослучайной цифровой модуляцией. Представлены функциональные схемы премного и передающего устройства, а также осциллограммы, на которых отображается поведение системы. Отражены результаты работы разработанной численной модели системы связи.
Купить

В работе проведено численное моделирование системы связи, которая состоит из приемной и передающей частей, выполненных как отдельные устройства. Для расширения спектра моделированного сигнала используются последовательности отсчетов белого гауссового шума с нулевым средним и дисперсией ст2, генерируемые алгоритмом Вихрь Мерсенна. Тем самым, разработанный алгоритм отличает предложенную модель широкополосной системы связи от существующих [2], в которых для расширения используются М-последовательности, с конечным числом отсчетов.
Проблема синхронизации генераторов на обеих сторонах канала связи решается путем их одновременного перезапуска, сигнал перезапуска генерируется после детектирования последнего бита сигнального сообщения. Такой подход позволяет, используя базовые принципы реализации цифровых модулирующих устройств, получить динамическую систему связи не имеющую аналогов в мире.
Для увеличения полосы частот, занимаемой модулированным сигналом, используется распространенный метод прямого расширения спектра. Включение информационного сообщения в шумоподобный сигнал % + i^реализуется с помощью квадратурной фазовой манипуляции QPSK (от англ. Quadrature Phase Shift Keying). К полученному сигналу добавляются комплексные отсчеты случайного комплексного сигнала, вещественная часть которого содержит модулированные сигнальным сообщением отсчеты псевдослучайной последовательности, а мнимая часть содержит немодулированные отсчеты той же псевдослучайной последовательности, с задержкой в несколько временных отсчетов. Для восстановления и дальнейшего детектирования принимаемого информационного и сигнального сообщения используется корреляционная обработка. Знак вещественной и мнимой части отсчетов сигнала на выходе коррелятора полностью определяется значениями битов передаваемых сообщения.
Выполнено моделирование предложенных методов и алгоритмов в среде MatLab/Simulink, по результатам численного эксперимента получены осциллограммы, которые полностью подтверждают работоспособность разработанной системы связи.
Варьируя параметр, который отвечает за ширину спектра передаваемого в канал связи сигнала, можно изменять его помехоустойчивость в широких пределах. Другой стороной этого достоинства является крайне низкая скорость передачи информации при реализации такой системы с ориентацией на низкочастотные каналы связи. Скорость передачи в такой системе обратно пропорциональна времени накопления сигнала при корреляционной обработке. Повышение помехоустойчивости всегда будет приводить к снижению скорости передачи данных. Повышение же скорости передачи без расширения доступной полосы пропускания канала связи обернется снижением помехоустойчивости.
Таким образом, в диссертации предложены методы и алгоритмы принципиально отличные о тех, что используются в существующих системах связи. Использование простых решений при разработке системы связи с псевдослучайной цифровой модуляцией выгодно отличает ее от аналогичных систем и дает значительные преимущества.

Купить