Помощь студентам в учебе
Аппаратно-программное устройство определения внутриимпульсной модуляции СВЧ радиосигнала
|
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1 Анализ технического задания 11
2 Исследовательский раздел 15
2.1 Введение 15
2.2 Методы распознавания вида цифровой модуляции радиосигнала по
форме сигнального созвездия 17
2.3 Методы распознавания вида модуляции по распределению
разности мгновенных фаз 18
2.4 Методы распознавания видов цифровой модуляции
радиосигналов по статистическим признакам 21
2.5 Пороговый метод распознавания видов цифровой модуляции
радиосигналов с использованием кумулянтов высокого порядка 25
2.6 Нейросетевое распознавание видов модуляции радиосигналов с использованием кумулянтов высокого порядка 30
2.7 Выводы 32
3 Описание работы алгоритма 33
3.1 Введение 33
3.2 Цифровой многоканальный приемник, основанный на
частотно-временном анализе для перехвата сигналов 35
3.3 Частотно-временной процессор 36
3.3.1 Частотно-временные представления 36
3.3.2 Реализация короткого преобразования Фурье 37
3.3.3 Дополнение короткого преобразования Фурье 39
3.4 Обнаружение и выделение признаков 41
3.4.1 Обнаружение 41
3.4.2 Конструктор вектора признаков 43
3.4.3 Обработчик 45
3.4.4 Поканальные дескрипторы 46
3.5 Распознавание модуляции 50
3.5.1 Расчет пороговых значений 50
3.5.2 Алгоритм определения модуляции 55
3.5.3 Алгоритм CORDIC 56
3.6 Заключение 62
4 Разработка алгоритма определения модуляции в Matlab 64
4.1 Возможные варианты работы алгоритма 64
4.2 Анализ реализованных алгоритмов 76
4.3 Модель алгоритма определения модуляции в Matlab 79
5 Результаты моделирования 90
5.1 Введение 90
5.2 Чувствительность 91
5.3 Качество оценки параметров 92
5.4 Качество распознавания модуляции 94
5.5 Частотно-временной анализ модулированных сигналов 97
5.6 Вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги 101
5.7 Вычислительная нагрузка и практическая реализация 105
6 Описание алгоритма определения модуляции на vhdl 107
6.1 Введение 107
6.2 Алгоритм и структура программы 107
6.2.1 Подпрограмма bias 107
6.2.2 Подпрограмма Classify 108
6.2.3 Подпрограмма Classify 1-128 109
6.2.4 Подпрограмма phase-unwrap 110
6.2.5 Подпрограмма sumA 111
7 Организационно-экономический раздел
7.1 Технико-экономическое обоснование 113
7.2 Понятия параметров сетевого планирования 113
7.3 Анализ этапов разработки, построение сетевого
графика 115
7.4 Расчет стоимости проекта 122
7.4.1 Расчет себестоимости готового изделия 122
7.4.2 Расчет рентабельности и экономического эффекта 128
8 Безопасность жизнедеятельности 130
8.1 Введение 130
8.2 Соответствие проектируемого устройства требованиям
безопасности 131
8.3 Требования к пожарной безопасности 136
8.4 Анализ воздействия электромагнитного поля на организм
человека 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ВВЕДЕНИЕ
1 Анализ технического задания 11
2 Исследовательский раздел 15
2.1 Введение 15
2.2 Методы распознавания вида цифровой модуляции радиосигнала по
форме сигнального созвездия 17
2.3 Методы распознавания вида модуляции по распределению
разности мгновенных фаз 18
2.4 Методы распознавания видов цифровой модуляции
радиосигналов по статистическим признакам 21
2.5 Пороговый метод распознавания видов цифровой модуляции
радиосигналов с использованием кумулянтов высокого порядка 25
2.6 Нейросетевое распознавание видов модуляции радиосигналов с использованием кумулянтов высокого порядка 30
2.7 Выводы 32
3 Описание работы алгоритма 33
3.1 Введение 33
3.2 Цифровой многоканальный приемник, основанный на
частотно-временном анализе для перехвата сигналов 35
3.3 Частотно-временной процессор 36
3.3.1 Частотно-временные представления 36
3.3.2 Реализация короткого преобразования Фурье 37
3.3.3 Дополнение короткого преобразования Фурье 39
3.4 Обнаружение и выделение признаков 41
3.4.1 Обнаружение 41
3.4.2 Конструктор вектора признаков 43
3.4.3 Обработчик 45
3.4.4 Поканальные дескрипторы 46
3.5 Распознавание модуляции 50
3.5.1 Расчет пороговых значений 50
3.5.2 Алгоритм определения модуляции 55
3.5.3 Алгоритм CORDIC 56
3.6 Заключение 62
4 Разработка алгоритма определения модуляции в Matlab 64
4.1 Возможные варианты работы алгоритма 64
4.2 Анализ реализованных алгоритмов 76
4.3 Модель алгоритма определения модуляции в Matlab 79
5 Результаты моделирования 90
5.1 Введение 90
5.2 Чувствительность 91
5.3 Качество оценки параметров 92
5.4 Качество распознавания модуляции 94
5.5 Частотно-временной анализ модулированных сигналов 97
5.6 Вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги 101
5.7 Вычислительная нагрузка и практическая реализация 105
6 Описание алгоритма определения модуляции на vhdl 107
6.1 Введение 107
6.2 Алгоритм и структура программы 107
6.2.1 Подпрограмма bias 107
6.2.2 Подпрограмма Classify 108
6.2.3 Подпрограмма Classify 1-128 109
6.2.4 Подпрограмма phase-unwrap 110
6.2.5 Подпрограмма sumA 111
7 Организационно-экономический раздел
7.1 Технико-экономическое обоснование 113
7.2 Понятия параметров сетевого планирования 113
7.3 Анализ этапов разработки, построение сетевого
графика 115
7.4 Расчет стоимости проекта 122
7.4.1 Расчет себестоимости готового изделия 122
7.4.2 Расчет рентабельности и экономического эффекта 128
8 Безопасность жизнедеятельности 130
8.1 Введение 130
8.2 Соответствие проектируемого устройства требованиям
безопасности 131
8.3 Требования к пожарной безопасности 136
8.4 Анализ воздействия электромагнитного поля на организм
человека 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Вопрос автоматической классификации прикладного типа модуляций (ЛЧМ, ФКМ, АМ) исследуется международным научным сообществом на протяжении более двух десятилетий. Классификацию можно рассматривать как промежуточный этап между перехватом сигнала и восстановлением исходной информации. Если известна схема модуляции перехваченного сигнала, то не составляет особого труда реализовать на приемной стороне соответствующий демодулятор, чтобы демодулировать сигнал, а затем восстановить информационное сообщение. Основное применение такие алгоритмы находят в военном секторе, а именно в военной радиоэлектронной разведке (РЭР). РЭР занимается сбором разведывательной информации на основе приема и анализа электромагнитного излучения (ЭМИ) от станций РЛС, РЭБ и т.д. Радиоэлектронная разведка ведется в диапазоне длин волн от единиц микрометров до десятков тысяч километров. Исходя из того, что такие алгоритмы применяются в оборонной промышленности, определяется потребность в максимально достоверном и надежном определении типа модуляции и работы аппаратно-программного устройства в целом.
За последнее десятилетие наметился переход от построения устройств и радиоэлектронных систем на основе аналоговой электроники к построению на основе цифровой микроэлектроники. Это связано с более стабильной работой цифровых устройств, наименьшей чувствительностью к условиям окружающей среды, сравнительно высоким быстродействием, гораздо меньшими габаритами и др. Использование программируемых логических интегральных схем в тракте первичной обработки современных многофункциональных РЛС (МРЛС) дает ряд существенных преимуществ по сравнению с многопроцессорными реализациями тракта. Поэтому все дальнейшие исследования будут вестись в проекции использования ПЛИС для реализации аппаратно-программного устройства.
Тенденция совершенствования технологий и снижение стоимости ПЛИС приведет к увеличению производительности вычислительных средств, осуществляющих цифровую обработку сигналов в режиме реального времени, что приведет к дальнейшему укреплению и расширению позиций ЦОС в различных частях радиотехники, прежде всего в радиолокации и связи.
Современные электронные системы перехвата должны выполнять задачи обнаружения, классификации и идентификации в сложной помеховой обстановки, состоящей из шума, помех и кратных нестационарных сигналов. Кроме того, не-которые формы сигналов специально разработаны для уменьшения вероятности перехвата. В такой среде требуется высокоточный цифровой алгоритм обработки. Предлагается рассмотреть создание передового цифрового многоканального приемника (ЦМП), структура которого представляет собой частный случай более общей структуры, известной в качестве частотно-временного приемника (ЧВП).
Главной особенностью использования частотно временного анализа является возможность анализировать изменения спектра сигнала во времени. Именно поэтому данный метод является привлекательным инструментом для перехвата и анализа нестационарных радиолокационных и коммуникационных сигналов. Схема работы данного приемника представлена на рисунке 1.
Такой приемник основывается на оконном преобразовании Фурье (АЦП). Полученные сигнал преобразуется в частотно-временном процессоре, откуда на вход ПЛИС поступают отсчеты амплитудного и частотного спектра. Детектор определяет параметры сигнала (длительность, амплитуда, несущая частота и т.д.) Далее некоторые данные с детектора и отсчеты амплитудного и фазового спектров поступают на вход алгоритма определения типа модуляции.
Актуальность данной работы заключается в том, что в области радиомониторинга и радиоразведки требуется обрабатывать большие потоки сигналов и из-мерять их параметры, но проблема этих задач состоит в том, что слишком много средств работает одновременно в определенных частотных диапазонах. Например, в полосе от 1ГГц до 18 ГГц на вход приемника приходит несколько миллионов импульсов в секунду, поэтому нужны быстрые и оперативные средства классификации принятого сигнала. В настоящее время техника не позволяет быстро обрабатывать большие объемы данных, поэтому в работе используется частотно-временной анализ, который позволяет по коротким отрезкам БПФ накапливать информацию по принятому сигналу и определять вид модуляции.
Целью дипломной работы является разработка аппаратно-программного устройства, позволяющего идентифицировать радиолокационные сигналы с известными частотными характеристиками для повышения эффективности средств радиотехнической разведки. В ходе дипломной работы были решены следующие задачи: анализ существующих алгоритмов разделения потока радиолокационных сигналов; реализация модели алгоритма частотно-временного алгоритма определения модуляции радиолокационных сигналов в системе Matlab, анализ реализованной модели, реализация программного обеспечения алгоритма на языке VHDL для ПЛИС.
В первой главе дипломной работы произведен анализ технического задания. Во второй главе рассмотрены существующие методы определения видов модуляции, рассмотрены их основные преимущества и недостатки. В третьей главе описывается принцип действия реализованного алгоритма и его особенности. В четвертой главе приводятся результаты реализации алгоритма определения модуляции в Matlab. В пятой главе приведены результаты моделирования реализованного алгоритма. В шестой главе приведены блок-схемы и описание подпрограмм для ПЛИС на языке Vhdl. В седьмой главе приведен расчет экономического эффекта аппаратно-программного устройства. В восьмой главе описывается соответствие проектируемого устройства требованиям безопасности.
За последнее десятилетие наметился переход от построения устройств и радиоэлектронных систем на основе аналоговой электроники к построению на основе цифровой микроэлектроники. Это связано с более стабильной работой цифровых устройств, наименьшей чувствительностью к условиям окружающей среды, сравнительно высоким быстродействием, гораздо меньшими габаритами и др. Использование программируемых логических интегральных схем в тракте первичной обработки современных многофункциональных РЛС (МРЛС) дает ряд существенных преимуществ по сравнению с многопроцессорными реализациями тракта. Поэтому все дальнейшие исследования будут вестись в проекции использования ПЛИС для реализации аппаратно-программного устройства.
Тенденция совершенствования технологий и снижение стоимости ПЛИС приведет к увеличению производительности вычислительных средств, осуществляющих цифровую обработку сигналов в режиме реального времени, что приведет к дальнейшему укреплению и расширению позиций ЦОС в различных частях радиотехники, прежде всего в радиолокации и связи.
Современные электронные системы перехвата должны выполнять задачи обнаружения, классификации и идентификации в сложной помеховой обстановки, состоящей из шума, помех и кратных нестационарных сигналов. Кроме того, не-которые формы сигналов специально разработаны для уменьшения вероятности перехвата. В такой среде требуется высокоточный цифровой алгоритм обработки. Предлагается рассмотреть создание передового цифрового многоканального приемника (ЦМП), структура которого представляет собой частный случай более общей структуры, известной в качестве частотно-временного приемника (ЧВП).
Главной особенностью использования частотно временного анализа является возможность анализировать изменения спектра сигнала во времени. Именно поэтому данный метод является привлекательным инструментом для перехвата и анализа нестационарных радиолокационных и коммуникационных сигналов. Схема работы данного приемника представлена на рисунке 1.
Такой приемник основывается на оконном преобразовании Фурье (АЦП). Полученные сигнал преобразуется в частотно-временном процессоре, откуда на вход ПЛИС поступают отсчеты амплитудного и частотного спектра. Детектор определяет параметры сигнала (длительность, амплитуда, несущая частота и т.д.) Далее некоторые данные с детектора и отсчеты амплитудного и фазового спектров поступают на вход алгоритма определения типа модуляции.
Актуальность данной работы заключается в том, что в области радиомониторинга и радиоразведки требуется обрабатывать большие потоки сигналов и из-мерять их параметры, но проблема этих задач состоит в том, что слишком много средств работает одновременно в определенных частотных диапазонах. Например, в полосе от 1ГГц до 18 ГГц на вход приемника приходит несколько миллионов импульсов в секунду, поэтому нужны быстрые и оперативные средства классификации принятого сигнала. В настоящее время техника не позволяет быстро обрабатывать большие объемы данных, поэтому в работе используется частотно-временной анализ, который позволяет по коротким отрезкам БПФ накапливать информацию по принятому сигналу и определять вид модуляции.
Целью дипломной работы является разработка аппаратно-программного устройства, позволяющего идентифицировать радиолокационные сигналы с известными частотными характеристиками для повышения эффективности средств радиотехнической разведки. В ходе дипломной работы были решены следующие задачи: анализ существующих алгоритмов разделения потока радиолокационных сигналов; реализация модели алгоритма частотно-временного алгоритма определения модуляции радиолокационных сигналов в системе Matlab, анализ реализованной модели, реализация программного обеспечения алгоритма на языке VHDL для ПЛИС.
В первой главе дипломной работы произведен анализ технического задания. Во второй главе рассмотрены существующие методы определения видов модуляции, рассмотрены их основные преимущества и недостатки. В третьей главе описывается принцип действия реализованного алгоритма и его особенности. В четвертой главе приводятся результаты реализации алгоритма определения модуляции в Matlab. В пятой главе приведены результаты моделирования реализованного алгоритма. В шестой главе приведены блок-схемы и описание подпрограмм для ПЛИС на языке Vhdl. В седьмой главе приведен расчет экономического эффекта аппаратно-программного устройства. В восьмой главе описывается соответствие проектируемого устройства требованиям безопасности.
В результате выполнения данной дипломной работы были проанализированы существующие методы и алгоритмы определения видов модуляции, выявлены их преимущества и недостатки. На их основе был реализован частотно-временной алгоритм определения внутриимпульсной модуляции СВЧ радиосигнала. Были проведены исследования данного метода, определены частотно-временные характеристики и чувствительность к шуму. Также была реализована программа на языке VHDL для ПЛИС, указанной в ТЗ.
В настоящее время разработанный алгоритм внедрен в модуль обработки сигналов. Он имеет возможности по модернизации своего функционала путем перепрограммирования ПЛИС, при этом не требуется вносить изменений в схемотехническую часть аппаратно-программного комплекса.
Планируется дальнейшее развитие аппаратно-программного устройства, усовершенствование и оптимизация алгоритмов программной части устройства обработки сигналов. Принято решение в дальнейшем расширить спектр определяемых видов модуляции, путем корректировки алгоритма и программного обеспечения для ПЛИС. Стоит отметить что в ходе дипломной работы были выполнены все требования, указанные в техническом задании.
Рассчитанные экономические показатели помогут в дальнейшем определить стоимостную оценку всех работ для создания конкурентоспособной продукции, а описанные в разделе безопасности жизнедеятельности правила пользования стендом оградить человека от опасных и вредных производственных факторов, возникающих в процессе эксплуатации.
В настоящее время разработанный алгоритм внедрен в модуль обработки сигналов. Он имеет возможности по модернизации своего функционала путем перепрограммирования ПЛИС, при этом не требуется вносить изменений в схемотехническую часть аппаратно-программного комплекса.
Планируется дальнейшее развитие аппаратно-программного устройства, усовершенствование и оптимизация алгоритмов программной части устройства обработки сигналов. Принято решение в дальнейшем расширить спектр определяемых видов модуляции, путем корректировки алгоритма и программного обеспечения для ПЛИС. Стоит отметить что в ходе дипломной работы были выполнены все требования, указанные в техническом задании.
Рассчитанные экономические показатели помогут в дальнейшем определить стоимостную оценку всех работ для создания конкурентоспособной продукции, а описанные в разделе безопасности жизнедеятельности правила пользования стендом оградить человека от опасных и вредных производственных факторов, возникающих в процессе эксплуатации.