Помощь студентам в учебе
ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ
СИГНАЛОВ. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ В СПУТНИКОВЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ 9
1.1 Общая структурная схема систем радиосвязи, общие принципы построения, классификация 9
1.2 Передача информации по каналам связи. Основная характеристика
каналов связи 14
1.3 Основные энергетические характеристики систем спутниковой
связи 18
1.4 Согласование физических характеристик канала связи и сигналов ... 21
1.5 Согласование статических свойств источника сообщений и
спутникового канала связи 22
1.6 Информационная безопасность и помехозащищенность в открытом
канале спутниковой связи в условиях сложной помеховой обстановки 25
1.6.1 Обеспечение информационной безопасности 25
1.6.2 Математические модели преднамеренных помех 31
2. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА 36
2.1 Технологии расширения спектра и методы модуляции 36
2.2 Определение понятия ширина спектра 39
2.3 Метод прямого расширения спектра 42
2.4 Энергоэффективность радиотехнического средства связи системы
спутниковой связи 46
2.4.1 Энергетическая эффективность средств непосредственной
радиосвязи 46
2.4.2 Энергетическая эффективность радиотехнической системы со сложными сигналами 49
3. АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА. ХАРАКТЕРИСТИКИ
СИГНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ 51
3.1 Анализ условий функционирования средств радиосвязи и требования,
предъявляемые к используемым ими радиоканалам 51
3.2 Анализ требований, предъявляемых к псевдослучайным
последовательностям и выбор вида формирующей последовательности для расширения информационного алфавита 52
3.3 Анализ условий формирования частотно-временной матрицы 59
3.4 Анализ условий функционирования радиоканала 60
4. СИНТЕЗ АЛГОРИТМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 63
4.1 Особенности алгоритма формирования М-последовательностей 63
4.2 Методика формирования помехозащищенного канала спутниковой
связи 68
4.3 Алгоритм модели обеспечения повышения безопасности и
помехоустойчивости сигнала 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 85
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ
СИГНАЛОВ. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ В СПУТНИКОВЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ 9
1.1 Общая структурная схема систем радиосвязи, общие принципы построения, классификация 9
1.2 Передача информации по каналам связи. Основная характеристика
каналов связи 14
1.3 Основные энергетические характеристики систем спутниковой
связи 18
1.4 Согласование физических характеристик канала связи и сигналов ... 21
1.5 Согласование статических свойств источника сообщений и
спутникового канала связи 22
1.6 Информационная безопасность и помехозащищенность в открытом
канале спутниковой связи в условиях сложной помеховой обстановки 25
1.6.1 Обеспечение информационной безопасности 25
1.6.2 Математические модели преднамеренных помех 31
2. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА 36
2.1 Технологии расширения спектра и методы модуляции 36
2.2 Определение понятия ширина спектра 39
2.3 Метод прямого расширения спектра 42
2.4 Энергоэффективность радиотехнического средства связи системы
спутниковой связи 46
2.4.1 Энергетическая эффективность средств непосредственной
радиосвязи 46
2.4.2 Энергетическая эффективность радиотехнической системы со сложными сигналами 49
3. АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА. ХАРАКТЕРИСТИКИ
СИГНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ 51
3.1 Анализ условий функционирования средств радиосвязи и требования,
предъявляемые к используемым ими радиоканалам 51
3.2 Анализ требований, предъявляемых к псевдослучайным
последовательностям и выбор вида формирующей последовательности для расширения информационного алфавита 52
3.3 Анализ условий формирования частотно-временной матрицы 59
3.4 Анализ условий функционирования радиоканала 60
4. СИНТЕЗ АЛГОРИТМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 63
4.1 Особенности алгоритма формирования М-последовательностей 63
4.2 Методика формирования помехозащищенного канала спутниковой
связи 68
4.3 Алгоритм модели обеспечения повышения безопасности и
помехоустойчивости сигнала 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 85
В настоящее время повсеместно признана необходимость повышения помехоустойчивости спутниковых сигналов до 50 - 55 дБ [1].
Методы повышения помехоустойчивости линий спутниковой связи специального назначения делятся на организационные, энергетические, пространственные и сигнальные.
Использование организационных методов часто ограничивается условиями использования, энергетические методы ограничены требованиями скрытности, которые являются неотъемлемой частью помехоустойчивости. Что касается мощности передающих устройств, то была достигнута чувствительность приемных устройств и усиление антенн, потенциально возможных индикаторов. В этой связи развитие пространственных и сигнальных методов представляется актуальным.
Пространственные методы изучены достаточно полно [4, 5] и применены к спутниковой связи в [1]. Теоретически и экспериментально было показано, что при пространственно-временной обработке сигналов защита от преднамеренных помех обеспечивается на уровне 30-35 дБ относительно отношения сигнал / (помехи / шум), а в каналах спутниковой связи при уровне 25-30 дБ из-за особенностей этих каналов. Данные исследования получили широкое применение благодаря трудам Аболица А.И., Акимова А. А., Белова А.С., Бобкова В.Ю., Камнева Е.Ф., Пелехатый М.И. в частности в «Системах спутниковой связи с эллиптическими орбитами, разнесением ветвей и адаптивной обработкой».
В настоящее время все чаще используются методы передачи и приема информации с использованием широкополосных сигналов (ШПС).
Использование ШПС в системах мобильной связи, таких как CDMA IS- 95, может эффективно бороться с внутриличностными и межканальными помехами, эффектом Доплера и максимизировать использование выделенной полосы частот для передачи речевой информации между пользователями. В системах спутниковой связи, таких как GlobalStar, распространение спектра передаваемого сигнала приводит к увеличению помехоустойчивости от невмешательства и позволяет использовать портативные устройства с малой мощностью для проведения сеансов радиосвязи во всех точках земного шара. Широкополосные сигналы от спутниковых навигационных систем, таких как GPS или ГЛОНАСС, позволяют повысить точность оценки псевдодальности спутников в сложной ситуации помех и, соответственно, повысить точность определения координат объектов. Приведенные выше примеры использования ШПС показывают перспективы использования ШПС в будущем.
Примером развития систем передачи и, в частности, методов широкополосной передачи было увеличение общего количества радиоэлектронных систем (РЭС), занимающих определенный диапазон частот, ухудшение электромагнитной среды и ужесточение требований к электронному оборудованию (РЭА) систем передачи информации.
К широкому практическому применению ШПС на практике научные труды Д.В. Агеева, А.Я. Витерби, Л.Е. Варакина Г.И. Тузов М.К. Саймона и многих других исследователей. Они изложили основные положения теории передачи и приема широкополосных сигналов, определили наиболее эффективные методы их использования на практике в различных прикладных задачах, нашли конечный потенциал для приема широкополосных сигналов в сложной ситуации помех.
Под помехоустойчивостью понимается способность системы противостоять воздействию мощных помех. Помехоустойчивость включает в себя невидимость системы связи и ее помехоустойчивость [12].
При передаче информации по каналу связи с помехами в полученных данных могут возникать ошибки. Если такие ошибки имеют небольшое значение или редки, информация может быть использована потребителем. При большом количестве ошибок полученная информация не может быть использована.
Чтобы уменьшить количество ошибок, возникающих при передаче информации по каналу помех, можно использовать канальное кодирование или шумовое кодирование.
Возможность использования кодирования для уменьшения числа ошибок в канале теоретически была показана К. Шенноном в 1948 году в его работе «Математическая теория коммуникации». В нем было указано, что если скорость создания источником сообщений (производительность источника) не превышает определенного значения, называемого пропускной способностью канала, то с соответствующим кодированием и декодированием вероятность ошибок в канал может быть сведен к нулю.
Однако вскоре стало ясно, что фактические ограничения скорости передачи устанавливаются не по полосе пропускания канала, а по сложности схем кодирования и декодирования. Поэтому усилия разработчиков и исследователей в последние десятилетия были направлены на поиск эффективных кодов, создание практически реализуемых схем кодирования и декодирования, которые по своим характеристикам приближались бы к прогнозируемому теоретически.
В настоящее время наиболее распространены следующие способы генерации шумопонижающих сигналов.
1. Формирование сложных сигналов с использованием частотно- временного кодирования [11].
2. Псевдослучайное формирование комплексных дискретных частотно-управляемых сигналов [11; 12].
3. Псевдослучайная настройка рабочей частоты [13].
4. Модуляция несущей частоты двоичными псевдослучайными последовательностями (PSP) [13, 14].
Анализ известных источников литературы [13] показал, что наиболее перспективными являются методы, основанные на модуляции несущей частоты бинарными псевдослучайными последовательностями (PSP) [15]. Псевдослучайная двоичная последовательность заданной длительности представляет собой последовательность, образованную по определенным правилам из дискретных элементов 0 и 1, так что ее корреляционные свойства близки к соответствующим свойствам реализации шума той же продолжительности.
Такие последовательности обладают следующими свойствами:
- M-последовательность является периодической, с периодом N символов;
- боковые пики периодической автокорреляционной функции сигналов, генерируемых М-последовательностью, равны (1 / N).
Целью дипломной работы является разработка алгоритма обеспечения повышения помехозащищенности спутниковых сигналов, передаваемых по открытым каналам связи.
Предметом исследования в дипломной работе выступит возможность увеличения помехозащищенности спутникового канала связи.
Объектом исследования в дипломной работе будет ансамбль ортогональных последовательностей - на основе М-последовательностей.
Для достижения цели необходимо решить ряд задач:
1. Определить сущность помехозащищенности и информационной безопасности в открытых каналах спутниковой связи;
2. Исследовать методы непосредственного расширения спектра сигнала, обеспечиваемую путем применения широкополосных сигналов;
3. Разработать сигнальную конструкцию и определить алгоритм формирования помехозащищенного сигнала.
Методы повышения помехоустойчивости линий спутниковой связи специального назначения делятся на организационные, энергетические, пространственные и сигнальные.
Использование организационных методов часто ограничивается условиями использования, энергетические методы ограничены требованиями скрытности, которые являются неотъемлемой частью помехоустойчивости. Что касается мощности передающих устройств, то была достигнута чувствительность приемных устройств и усиление антенн, потенциально возможных индикаторов. В этой связи развитие пространственных и сигнальных методов представляется актуальным.
Пространственные методы изучены достаточно полно [4, 5] и применены к спутниковой связи в [1]. Теоретически и экспериментально было показано, что при пространственно-временной обработке сигналов защита от преднамеренных помех обеспечивается на уровне 30-35 дБ относительно отношения сигнал / (помехи / шум), а в каналах спутниковой связи при уровне 25-30 дБ из-за особенностей этих каналов. Данные исследования получили широкое применение благодаря трудам Аболица А.И., Акимова А. А., Белова А.С., Бобкова В.Ю., Камнева Е.Ф., Пелехатый М.И. в частности в «Системах спутниковой связи с эллиптическими орбитами, разнесением ветвей и адаптивной обработкой».
В настоящее время все чаще используются методы передачи и приема информации с использованием широкополосных сигналов (ШПС).
Использование ШПС в системах мобильной связи, таких как CDMA IS- 95, может эффективно бороться с внутриличностными и межканальными помехами, эффектом Доплера и максимизировать использование выделенной полосы частот для передачи речевой информации между пользователями. В системах спутниковой связи, таких как GlobalStar, распространение спектра передаваемого сигнала приводит к увеличению помехоустойчивости от невмешательства и позволяет использовать портативные устройства с малой мощностью для проведения сеансов радиосвязи во всех точках земного шара. Широкополосные сигналы от спутниковых навигационных систем, таких как GPS или ГЛОНАСС, позволяют повысить точность оценки псевдодальности спутников в сложной ситуации помех и, соответственно, повысить точность определения координат объектов. Приведенные выше примеры использования ШПС показывают перспективы использования ШПС в будущем.
Примером развития систем передачи и, в частности, методов широкополосной передачи было увеличение общего количества радиоэлектронных систем (РЭС), занимающих определенный диапазон частот, ухудшение электромагнитной среды и ужесточение требований к электронному оборудованию (РЭА) систем передачи информации.
К широкому практическому применению ШПС на практике научные труды Д.В. Агеева, А.Я. Витерби, Л.Е. Варакина Г.И. Тузов М.К. Саймона и многих других исследователей. Они изложили основные положения теории передачи и приема широкополосных сигналов, определили наиболее эффективные методы их использования на практике в различных прикладных задачах, нашли конечный потенциал для приема широкополосных сигналов в сложной ситуации помех.
Под помехоустойчивостью понимается способность системы противостоять воздействию мощных помех. Помехоустойчивость включает в себя невидимость системы связи и ее помехоустойчивость [12].
При передаче информации по каналу связи с помехами в полученных данных могут возникать ошибки. Если такие ошибки имеют небольшое значение или редки, информация может быть использована потребителем. При большом количестве ошибок полученная информация не может быть использована.
Чтобы уменьшить количество ошибок, возникающих при передаче информации по каналу помех, можно использовать канальное кодирование или шумовое кодирование.
Возможность использования кодирования для уменьшения числа ошибок в канале теоретически была показана К. Шенноном в 1948 году в его работе «Математическая теория коммуникации». В нем было указано, что если скорость создания источником сообщений (производительность источника) не превышает определенного значения, называемого пропускной способностью канала, то с соответствующим кодированием и декодированием вероятность ошибок в канал может быть сведен к нулю.
Однако вскоре стало ясно, что фактические ограничения скорости передачи устанавливаются не по полосе пропускания канала, а по сложности схем кодирования и декодирования. Поэтому усилия разработчиков и исследователей в последние десятилетия были направлены на поиск эффективных кодов, создание практически реализуемых схем кодирования и декодирования, которые по своим характеристикам приближались бы к прогнозируемому теоретически.
В настоящее время наиболее распространены следующие способы генерации шумопонижающих сигналов.
1. Формирование сложных сигналов с использованием частотно- временного кодирования [11].
2. Псевдослучайное формирование комплексных дискретных частотно-управляемых сигналов [11; 12].
3. Псевдослучайная настройка рабочей частоты [13].
4. Модуляция несущей частоты двоичными псевдослучайными последовательностями (PSP) [13, 14].
Анализ известных источников литературы [13] показал, что наиболее перспективными являются методы, основанные на модуляции несущей частоты бинарными псевдослучайными последовательностями (PSP) [15]. Псевдослучайная двоичная последовательность заданной длительности представляет собой последовательность, образованную по определенным правилам из дискретных элементов 0 и 1, так что ее корреляционные свойства близки к соответствующим свойствам реализации шума той же продолжительности.
Такие последовательности обладают следующими свойствами:
- M-последовательность является периодической, с периодом N символов;
- боковые пики периодической автокорреляционной функции сигналов, генерируемых М-последовательностью, равны (1 / N).
Целью дипломной работы является разработка алгоритма обеспечения повышения помехозащищенности спутниковых сигналов, передаваемых по открытым каналам связи.
Предметом исследования в дипломной работе выступит возможность увеличения помехозащищенности спутникового канала связи.
Объектом исследования в дипломной работе будет ансамбль ортогональных последовательностей - на основе М-последовательностей.
Для достижения цели необходимо решить ряд задач:
1. Определить сущность помехозащищенности и информационной безопасности в открытых каналах спутниковой связи;
2. Исследовать методы непосредственного расширения спектра сигнала, обеспечиваемую путем применения широкополосных сигналов;
3. Разработать сигнальную конструкцию и определить алгоритм формирования помехозащищенного сигнала.
В результате исследования была разработана система передачи данных в каналах спутниковой связи высокой помехозащищенности.
Передающее и приемное устройства реализуют метод расширения спектра, осуществляя кодирование и декодирование передаваемого сообщения М-последовательностью.
Для расширения спектра при синтезе системы передачи данных используются М-последовательности с размером 255 элементов противоположной фазы, с применением относительной фазовой манипуляции.
Так же в результате исследования был разработан алгоритм имитационной модели повышения помехоустойчивости сигнала
Разработанные научно-технические предложения обеспечивают увеличение уровня помехозащищенности в ограниченном по частоте радиоканале в условиях деструктивного воздействия адитивных, мультипликативных шумовых, заградительных и ответных помех различной интенсивности.
Полученные результаты имитационного моделирования подтвердили правомерность теоретических предложений по повышению помехозащищенности за счет совместного применения метода прямого расширения спектра и режима с ППРЧ.
Передающее и приемное устройства реализуют метод расширения спектра, осуществляя кодирование и декодирование передаваемого сообщения М-последовательностью.
Для расширения спектра при синтезе системы передачи данных используются М-последовательности с размером 255 элементов противоположной фазы, с применением относительной фазовой манипуляции.
Так же в результате исследования был разработан алгоритм имитационной модели повышения помехоустойчивости сигнала
Разработанные научно-технические предложения обеспечивают увеличение уровня помехозащищенности в ограниченном по частоте радиоканале в условиях деструктивного воздействия адитивных, мультипликативных шумовых, заградительных и ответных помех различной интенсивности.
Полученные результаты имитационного моделирования подтвердили правомерность теоретических предложений по повышению помехозащищенности за счет совместного применения метода прямого расширения спектра и режима с ППРЧ.