ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА СИГНАЛОВ 6
1.1. Расширение спектра сигналов 6
1.2. Расширение спектра сигнала методом непосредственной модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью 7
1.3. Расширение спектра сигнала методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты 11
ГЛАВА 2. СХЕМА РАСШИРЕНИЯ СПЕКТРА СИГНАЛА МЕТОДОМ
ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ 15
2.1. Классическая схема формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты 15
2.2. Подсистемы синхронизации систем радиосвязи 18
2.3. Влияние коротковолнового канала на сигнал передающего устройства системы радиосвязи 20
2.4. Кодирование с исправлением и обнаружением ошибок 21
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ 25
3.1. Метод формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты без использования подсистемы синхронизации 25
3.2. Разработка программной модели формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты без подсистемы синхронизации 28
3.2.1. Формирования сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты 28
3.2.2. Прием сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты 31
3.3. Исследование программной модели формирования и приема сигналов с
псевдослучайной перестройкой рабочей частоты без подсистемы синхронизации 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 49
ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА СИГНАЛОВ 6
1.1. Расширение спектра сигналов 6
1.2. Расширение спектра сигнала методом непосредственной модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью 7
1.3. Расширение спектра сигнала методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты 11
ГЛАВА 2. СХЕМА РАСШИРЕНИЯ СПЕКТРА СИГНАЛА МЕТОДОМ
ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ 15
2.1. Классическая схема формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты 15
2.2. Подсистемы синхронизации систем радиосвязи 18
2.3. Влияние коротковолнового канала на сигнал передающего устройства системы радиосвязи 20
2.4. Кодирование с исправлением и обнаружением ошибок 21
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ 25
3.1. Метод формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты без использования подсистемы синхронизации 25
3.2. Разработка программной модели формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты без подсистемы синхронизации 28
3.2.1. Формирования сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты 28
3.2.2. Прием сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты 31
3.3. Исследование программной модели формирования и приема сигналов с
псевдослучайной перестройкой рабочей частоты без подсистемы синхронизации 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 49
Системы радиосвязи (СРС), использующие для передачи информации метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), относятся к системам радиосвязи с расширенным спектром. Такие системы, изначально, создавались для военных нужд. Первые попытки внедрения систем радиосвязи с расширенным спектром происходили в США во время Второй мировой войны. Системы подобного плана обладают не только сложностью в обнаружении, но и в перехвате. Такие достоинства систем радиосвязи с расширенным спектром обуславливаются тем, что плотность полезного сигнала распределяется на большую полосу частот псевдослучайными последовательностями, используемыми для расширения спектра, известными только на приемной и передающей сторонах.
Со временем ситуация изменилась и системы радиосвязи с расширенным спектром стали доступны не только военным структурам, но и сфере гражданской связи. Например, практически всем известный способ передачи информации через Bluetooth использует метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты с частотой перестройки равной 1600 скачков в секунду и двухуровневой частотной манипуляцией [1]. Wi-Fi, без которого уже нельзя представить ни один современный смартфон, использует расширение спектра методом прямой последовательности (стандарты 802.11 и 802.11b) [2]. Метод прямой последовательности тоже расширяет спектр сигнала и обладает схожими характеристиками с методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты.
Тем не менее, несмотря на то, что системы с расширенным спектром плотно вошли в нашу жизнь, в открытом доступе отсутствуют не только готовые системы радиосвязи, использующие расширение спектра методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты или прямой последовательности, для передачи информации на коротких волнах, но и их модели. Поэтому разработка программной модели формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты является первым шагом на пути к построению полноценной системы радиосвязи, способной вести передачу и прием информации через реальный канал связи.
Модель необходима для исследования процессов, происходящих при формировании и приеме сигналов по методу псевдослучайной перестройки рабочей частоты. И, на основе полученных результатов этого исследования и структуры разработанной модели, в будущем, планируется разработать полноценную систему радиосвязи и внедрить ее в устройство, которое будет способно формировать и принимать высокочастотный сигнал с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в реальном времени с целью вести прием и передачу информации.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка программной модели формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Программная модель должна быть реализована на высокоуровневом языке программирования и интерактивной среде для программирования, численных расчетов и визуализации результатов - MATLAB [3]. Ширина полосы сформированного широкополосного сигнала должна быть не более 384 кГц, чтобы не выходить за суммарную полосу, формируемую 8-ю понижающими преобразователями частоты (digital down converters (DDC)). Каждый DDC выделяет полосу равную 48 кГц, используемую в реальном приемо-передающем оборудовании коротковолновой радиосвязи. На это приемно-передающее оборудование планируется внедрить разработанную программную модель.
Задачи выпускной квалификационной работы следующие:
• исследовать процесс расширения спектра и то, что он из себя представляет;
• сравнить методы расширения спектра псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и прямой последовательностью;
• выбрать структурную схему для реализации модели и исследовать процесс ее работы;
• составить блок-схемы формирования и приема ППРЧ сигнала;
• реализовать модель формирования и приема ППРЧ сигнала;
• провести оценку реализованной модели с помощью графика bit error rate (BER).
Со временем ситуация изменилась и системы радиосвязи с расширенным спектром стали доступны не только военным структурам, но и сфере гражданской связи. Например, практически всем известный способ передачи информации через Bluetooth использует метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты с частотой перестройки равной 1600 скачков в секунду и двухуровневой частотной манипуляцией [1]. Wi-Fi, без которого уже нельзя представить ни один современный смартфон, использует расширение спектра методом прямой последовательности (стандарты 802.11 и 802.11b) [2]. Метод прямой последовательности тоже расширяет спектр сигнала и обладает схожими характеристиками с методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты.
Тем не менее, несмотря на то, что системы с расширенным спектром плотно вошли в нашу жизнь, в открытом доступе отсутствуют не только готовые системы радиосвязи, использующие расширение спектра методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты или прямой последовательности, для передачи информации на коротких волнах, но и их модели. Поэтому разработка программной модели формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты является первым шагом на пути к построению полноценной системы радиосвязи, способной вести передачу и прием информации через реальный канал связи.
Модель необходима для исследования процессов, происходящих при формировании и приеме сигналов по методу псевдослучайной перестройки рабочей частоты. И, на основе полученных результатов этого исследования и структуры разработанной модели, в будущем, планируется разработать полноценную систему радиосвязи и внедрить ее в устройство, которое будет способно формировать и принимать высокочастотный сигнал с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в реальном времени с целью вести прием и передачу информации.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка программной модели формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Программная модель должна быть реализована на высокоуровневом языке программирования и интерактивной среде для программирования, численных расчетов и визуализации результатов - MATLAB [3]. Ширина полосы сформированного широкополосного сигнала должна быть не более 384 кГц, чтобы не выходить за суммарную полосу, формируемую 8-ю понижающими преобразователями частоты (digital down converters (DDC)). Каждый DDC выделяет полосу равную 48 кГц, используемую в реальном приемо-передающем оборудовании коротковолновой радиосвязи. На это приемно-передающее оборудование планируется внедрить разработанную программную модель.
Задачи выпускной квалификационной работы следующие:
• исследовать процесс расширения спектра и то, что он из себя представляет;
• сравнить методы расширения спектра псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и прямой последовательностью;
• выбрать структурную схему для реализации модели и исследовать процесс ее работы;
• составить блок-схемы формирования и приема ППРЧ сигнала;
• реализовать модель формирования и приема ППРЧ сигнала;
• провести оценку реализованной модели с помощью графика bit error rate (BER).
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были исследованы принципы расширения спектра сигналов и самые основные методы, характерные для радиосвязи на коротких волнах (метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью и метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты). Метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты был рассмотрен более детально во второй главе данной работы, кроме этого также были рассмотрены подсистемы синхронизации и влияние коротковолнового канала на проходящий в этом канале сигнал. Также, во второй главе был сделан вывод о том, что подсистемы синхронизации сложны в разработке, снижают скорость передачи информации и, если требования позволяют избежать их использования, то лучше избавиться от подсистемы синхронизации. Требования, предъявляемые к разрабатываемой модели, никак не затрагивали необходимость осуществления передачи информации с использованием подсистемы синхронизации. Поэтому было принято решение избавиться от подсистемы синхронизации, уйти от классической системы формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и использовать новый метод, позволяющий формировать и принимать сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты без подсистемы синхронизации.
Этот предлагаемый метод был детально рассмотрен в третьей главе данной работы. В этой же главе, на основе данных, полученных в первых двух главах, была спроектирована и написана программная модель формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. В соответствии с требованиями, программная модель была написана на высокоуровневом языке программирования и интерактивной среде для программирования, численных расчетов и визуализации результатов - MATLAB. Ширина полосы формируемого сигнала также соответствует требованиям и не превышает 384 кГц.
В процессе разработки и написания программной модели были исследованы принципы формирования и приема сигналов, детально рассмотрены процессы преобразования сигналов в процессе их демодуляции, произведено сравнение разработанной модели с моделью, использующей обычную ЧМ без разрыва фазы. Сравнение производилось с помощью графиков BER. Так же было произведено сравнение кодирования по графикам BER для разработанной модели.
Благодаря разработанной модели и опыту, полученному в процессе разработки можно приступать к разработке полноценной системе радиосвязи для приема-передачи информации и внедрять ее в цифровое радиоприемное устройство.
Результатом разработки программной модели является исходный код программы для среды разработки MATLAB. Статья, по тематике выпускной квалификационной работы, докладывалась на конференции ВВСТ-2018 30 марта 2018 года и опубликована в сборнике статей этой конференции: «Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии» [24].
Все поставленные цели и задачи на выпускную квалификационную работу выполнены.
Этот предлагаемый метод был детально рассмотрен в третьей главе данной работы. В этой же главе, на основе данных, полученных в первых двух главах, была спроектирована и написана программная модель формирования и приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. В соответствии с требованиями, программная модель была написана на высокоуровневом языке программирования и интерактивной среде для программирования, численных расчетов и визуализации результатов - MATLAB. Ширина полосы формируемого сигнала также соответствует требованиям и не превышает 384 кГц.
В процессе разработки и написания программной модели были исследованы принципы формирования и приема сигналов, детально рассмотрены процессы преобразования сигналов в процессе их демодуляции, произведено сравнение разработанной модели с моделью, использующей обычную ЧМ без разрыва фазы. Сравнение производилось с помощью графиков BER. Так же было произведено сравнение кодирования по графикам BER для разработанной модели.
Благодаря разработанной модели и опыту, полученному в процессе разработки можно приступать к разработке полноценной системе радиосвязи для приема-передачи информации и внедрять ее в цифровое радиоприемное устройство.
Результатом разработки программной модели является исходный код программы для среды разработки MATLAB. Статья, по тематике выпускной квалификационной работы, докладывалась на конференции ВВСТ-2018 30 марта 2018 года и опубликована в сборнике статей этой конференции: «Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии» [24].
Все поставленные цели и задачи на выпускную квалификационную работу выполнены.