Файл: Свириденко С.С. Основы синхронизации при приеме дискретных сигналов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.07.2024
Просмотров: 131
Скачиваний: 0
Пріин-имаемые .колебания, содержа щие іинфоірмационіные сигна лы и шум, обрабатываются одновременно в .информационной час ти (приемника (демодулятор іи декодер) и в системе синхрониза ции. .Синхронизированные приемники могут отличаться типом ис-
Рис. -1.20. Синхронизирован- |
Рис. 1.21. Сннхронизиро- |
иый приемник с активным |
ванный приемник с пас- |
фильтром |
сивным фильтром |
пользуемого в ікачестве демодулятора фильтра для информацион ных сигналов — активного или пассивного (рис. 1.20 и 1.21). Фильтр согласован с информационным сигналом с полностью из
__ Демодулятор____ |
вестными |
параметрами. |
На |
||||
рис. |
| .20 и |
1.21 |
для простоты |
||||
|
|
приведены структурные |
схемы |
||||
|
|
приемников с фильтрами, осу |
|||||
|
|
ществляющими |
прием |
сигна |
|||
|
|
лов с пассивной паузой. |
|
в |
|||
|
|
Система |
синхронизации |
||||
|
|
общем случае |
извлекает |
из |
|||
|
|
принимаемых колебаний |
ин |
||||
|
|
формацию о всех необходимых |
|||||
|
|
для демодуляции и декодиро |
|||||
|
|
вания синхропараметрах и под |
|||||
|
|
страивает демодулятор и деко |
|||||
Система синхронизации |
дер |
синхронизированного при- |
|||||
Рис. 1.22. Структурная схема синхрони |
емника. |
|
|
|
|
||
зированного |
приемника: |
На рис. 1.22 показана струк |
|||||
1) сигнал начала слежения за параметром; |
турная схема синхронизирован |
||||||
2) сигнал потерн слежения и перехода в ре |
|||||||
жим поиска; 3) управляющий) сигнал подстрой |
ного |
приемника, |
в 'котором в |
||||
ки частоты н фазы ГОС; 4) управляющий |
качестве демодулятора исполь |
||||||
сигнал подстройки начала генерирования опор |
|||||||
ного сигнала; 5) сигнал |
отсчета; 6) сигнал |
зуется активный фильтр. Си |
|||||
разделения кодовых слов; 7) сигналы управ |
|||||||
ления системой синхронизации. |
стема синхронизации в резуль |
||||||
|
|
тате |
обработки |
принимаемых |
колебаний вырабатывает сигналы фазовой )(ФМ), высокочастот
ной (ВЧС), |
блочной (кадровой или словной) (БС) синхронизации |
и сигналы |
.синхронизации по моменту прихода сигнала (СМП). |
Этими сигналами управляются демодулятор и декодер приемника. Наличие цепи управления системой синхронизации позволяет авто матически поддерживать качество синхронизации по напряжению на выходе демодулятора.
Г Л А В А |
В Т О Р А Я |
Поиск сигнала с неизвестными параметрами
2.1. МЕТОДЫ ПОИСКА СИГНАЛА С НЕИЗВЕСТНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Ра'боту .приемника синхронной системы связи можно характе ризовать двумя состояниями: состоянием поиска сигнала .и состоя нием слежения за изменяющимися его параметрами. Режим сле жения соответствует .передаче информации и наступает лишь пос ле успешного поиска сигнала. Так как до осуществления поиска сигнала информацию паредаівать «е имеет .смысла, время поиска является важным параметром синхронной системы связи. Необхо димость ів поиске отпадает лишь в том случае, когда неопределен ность параметров сигнала оказывается меньше полосы захвата каждого из следящих устройств.
Задачей поиска вообще является отыскание оптимального зна чения неизвестной функции. Среди всех возможных стратегий поис ка выбирают ту, которая приводит к цели оптимальным образом
[24—29].
Задача поиска синхіропар аметров радиосигнала в пространстве параметров отличается от задачи радиолокационного поиска цели в зондируемом пространстве, хотя методы оптимизации поиска, принятые в радиолокации [28, 30, 31], можно использовать и в за дачах поиска сигнала .в системе связи.
Для простоты будем рассматривать два неизвестных парамет ра сигнала — частоту несущей и момент прихода. іВ этом случае пространство неизвестных параметров переходит в плоскость-ча стота — время.
При любых априорных сведениях о размещении сигнала в этой плоскости (рис. 2.1) ноиск можно производить дискретно, разбив плоскость неопределенности на элементарные ячейкіи, и оценивать наличие сигнала в каждой ячейке с помощью бинарного обнару жения на основании выборок из каждого элемента Д/оА1о двумер ного пространства. Площадь каждой элементарной ячейки обрат но пропорциональна полосе пропускания приемника и длнтельно-
15
|
Щ |
|
сти сообщения или времени анализа. |
|
|
|
|
Считается, что для эффективного при |
|
|
£ |
т |
ема сигнал достаточно оценить в пре |
|
|
1 |
делах этой элементарной ячейки. По |
||
|
|
і1 |
иск производится по частоте в интер |
|
|
|
|
вале возможных значений частоты Af |
|
|
4f |
|
и по времени в интервале |
равном |
|
|
■наибольшему периоду повторения сиг- |
||
|
|
|
||
_______________________нала. |
|
|||
ff |
|
У |
При разбиении плоскости на эле- |
|
рис. 2.1. Плоскость неопреде- |
ментарлые прямоугольники, очевидно, |
|||
ленности |
частота—время |
предполагается, что функция неопре |
||
|
|
|
деленности сигнала имеет пик |
с пря |
моугольным сечением. Такой идеализацией пользуются некоторые исследователи [32].
Оптимальность процедуры поиска можно рассматривать с точ ки зрения нескольких .критериев, в частности:
а) критерия среднего времени поиска
ГП= Ѵ Г П1.Р (0,
і=і
где Тві— условное ожидаемое время поиска в случае, если сигнал находится в і-й ячейке плоскости частота—время с заданной ве роятностью пропуска; Р(і) — вероятность наличия сигнала в і-й ячейке;
б) критерия -максимального времени поиска ТпмаКс — времени, при - котором максимальная вероятность пропуска сигнала будет меньше заданной величины. Опти мильной считается процедура, минимизирующая это время.
Критерий среднего времени поиска наиболее приемлем вслед ствие своей относительной простоты. Получение более детальных статистических характеристик времени .поиска, например закона распределения, весьма затруднительно, хотя и возможно при больших затратах машинного времени.
іВ [33] определяются моменты ріаепределѳния плотности вероят ности времени поиска и, в частности, его дисперсия.
іВ дальнейших расчетах будем оптимизировать поиск по кри терию среднего .времени поиски.
В зависимости от того, известно или неизвестно априорное рас пределение вероятности нахождения сигнала в определенных пре делах плоскости двух неизвестных параметров — частоты и момен та прихода, можно предложить различные процедуры поиска.
При известном априорном распределении сигнала в плоскости неопределенности, которое предполагается неравномерным, иссле дователи пользуются процедурой поиска, предложенной в [34]. Согласно этой процедуре в первую очередь проверяются выборки из ячейки с максимальным значением априорной вероятности сиг нала. Выборки производятся до тех пор, пока іапостѳріиорная ве
I«
роятность содержания сигнал а в этой ячейке іне .станет меньше априорной вероятности 'содержания сигнала в следующей наиболее вероятной ячейке. Затем процесс .выборок .продолжается уже в этой ячейке, .причем апостериорная вероятность принимается как новая априорная. Таким образом, для каждой выборки учитыва ются результаты .всех предшествующих .выборок и каждая .следу ющая при исследовании ячейка является вероятной с точки зре ния .содержания сипиала (32, 35—39].
Если неизвестный синхропараметр сигнала имеет нормальное распределение, поиск начинается с участков с наибольшей априор
ной вероятностью (рис. |
2.2) |
от —щ |
|
|||||
до |
+«! |
(схема приемника приведе |
|
|||||
на |
в (40]). |
Если ів этом участке сиг |
|
|||||
нал не найден, поиск продолжается |
|
|||||||
на |
участке |
от |
—nz до |
+ п 2, |
затем |
|
||
от —«з до |
+нз и т. д., пока не до |
|
||||||
стигнута |
|
синхронизация. |
Время |
|
||||
вхождения |
ів |
синхронном |
(время |
Рис. 2.2. Плотность вероятно |
||||
поиска) |
при известном |
априорном |
||||||
сти содержания сигнала на ин |
||||||||
распределении расположения сигна |
тервале поиска |
|||||||
ла, |
разумеется, |
меньше, |
чем |
время |
|
последовательного просмотра пространства возможных значений частоты и момента прохода сигнала.
'На практике часто априорное распределение сигнала в плос кости поиска неизвестно, поэтому основные усилия исследовате лей, занимающихся вопросами .поиска сигнала, сосредоточены на разработке оптимальных процедур поиска сигнала при равнове роятном .априорном нахождении его в исследуемом пространстве.
2.2. ОДНОЭТАПНЫЙ ПОИСК
Для последовательного изучения -вопросов оптимизации проце дур поиска остановимся на наиболее .важных -моментах оптимиза ции одиоэта-пной процедуры поиска сигнала по частоте и време- -н.и [32].
■Исследование одноэтаганово поиска -при равновероятном нахож дении сигнала в исследуемом интервале показывает, что среднее время поиска имеет .минимум .гари правильно выбранном соотноше нии между величиной порога решающего устройства и отношением сигнал/-шум.
'Предположим, что размеры плоскости неопределенности по ча стоте и времени известны (см. ряс. 2.1) и для обнаружения сигнала
•с заданной верностью ошибка при оценке параметров не должна ■превышать по частоте Д/0, Гц, по времени Аto, с. Последние вели чины определяют число исследуемых ячеек n = AfAt/AfoAto. Для
•простоты условимся, что главный ли,к функции неопределенности сигнала имеет прямоугольное сечение. Сигнал может быть как простым, так и слож-ньгм. .Просмотр плоскости осуществляется взаимокор реляционным приемником, в котором генератор_ опорно-
І |
Гсс. пуО ■ |
17 |
гс сигнала генерирует сигнал с ,соответствующим 'пошаговым изме нением задержки и частоты. Предположим также, что нахождение сигнала ів одной из п ячеек равновероятно, а.мнлитуда сигнала .пос тоянна, обнаружение сигнала происходит в белом гауссовом шуме.
Для определения среднего времени поиска достаточно найти распределение времени поиска.
При одноэтаіпіной .процедуре поиска время поиска равно сумме Та= Т\ + Т„ѵ+ Гдт, где Т1— время достижения правильной ячейки;
Тир— условное штрафное время, на .которое увеличивается поиск сигнала вследствие пропуска сигнала; 7 Лт — штрафное время, на которое увеличивается поиск вследствие ошибок типа ложной тре воги. .Пусть Ті — .время испытания одной ячейки. Тогда время дос
тижения г-й ячейки |
|
Т1 = г Т 1 |
(2.1) |
с вероятностью Р (T\=irTf) = \/п.
Вероятность пропуска сигнала / раз и обнаружения его при /+1
•попытке равна РгпДИ—Рпр), где |
РПр— вероятность |
однократного |
|||
пропуска. |
Временные потери за |
'каждый |
пропуск |
равны л7\. |
|
Поэтому |
Р(Тпр = /,гГ,.) = ^ р ( 1 - Р пр) |
(2.2) |
|||
для / = 0, |
|||||
1, 2... |
|
|
|
||
Пусть |
Р(Ѵ, к ) — вероятность |
того, что |
произойдет k ложных |
||
тревог при испытании г ячеек с обнаружением при г + |
1 .испытании. |
При суммировании Р(>г, k) по всем г .получим распределение Р(к).
Вероятность |
k ложных тревог при тиспытаниях определяется |
би |
номиальным |
распределением Рг( к ) = Р кЛт'( 1—'Рлт)г-'|-г(г7 /) . |
где |
r=nl, а вероятность обнаружения в г+1 ячейке — величиной |
—-Р'Пр(1—Р Пр). Считая ложную тревогу и обнаружение независи- |
||||||
п |
|
|
|
|
|
|
мыми событиями, получаем |
|
|
|
|
|
|
Р (Г, k) = |
- L Р'р (1 - |
Рпр) Р І (1 |
- |
РЛ7у - к- ‘ |
|
|
или для я]Э> 1 .приближенно |
|
|
|
|
|
|
Р (г, к) = |
Р‘р (1 - |
РПр) Р*лт (1 - |
РЛТГ * ( |
' ) . |
|
|
Средняя вероятность ложной тревоги |
|
|
|
|||
00 |
со |
|
|
|
|
|
р (А)=S р (^А)=S т - Р"р (1~ Рпр) р*т (1~ РлтГ* ( а )• |
(2-3) |
|||||
r= k |
r= k |
|
|
|
|
|
Усредним по вероятности Ти Тпр и Тлг: |
|
|
|
|
||
г—\ |
|
|
г=1 |
|
|
|
со |
|
|
|
00 |
|
|
(Тпр = |
1 пТі) 1 nTi = n T i { l ~ |
Р"Р} S ;p - |
= т з й р ' ; |
|||
;=і |
|
|
|
;-і |
|
|
18
со |
, |
L L 1 |
■ Е 4 Т " ‘І |
\ р [ п \ |
|
1 |
п р |
f t = l
“[ — 1
Е |
т« <Н ; |
Ѵ р лт |
г = |
1 |
■Рпр |
|
где Тлт і — штрафное время іва ложную тревогу при испытании ячей ки. Считая величины Ті, Тпр 'И Тлт ін633;В'И‘СИіМЫМіИ, інзйдем вреднее время іпоіи-сма іна -одну ячейку ллоскости ■неоп'ределѳніностіи:
= 4 - ( Т г + Т пр + T J = ^ + Р « ^лт .О- (2-4)
Распределение времени поиска .можно найти пак двукратную
свертку распределений |
(2.1) — (2.3): |
|
|
||
р(тп = ѵ Т 1) = У— р * £ |
Pkm p[p n |
|
|
||
|
|
|
fc=0 |
r—k |
|
|
|
|
|
|
(2.5) |
где т = Ттп іІТі считаем |
целым. Эта 'вероятность является .важной |
||||
характеристикой системы поиска. |
|
|
|||
Среднее время |
поиска Ти оказывается |
функцией вероятностей |
|||
Рпр и Р лт, |
.которые, |
в свою очередь, |
зависят от времени испытания |
||
ячейки Ті |
и типа приемника (когерентный, |
некогерентный, отосле- |
доівателыного обнаружения с несколькими порогами и когерентной или иекогерентной обработкой).
Оптимизация поиска заключается в нахождении минимума функционала
min — f„ (U n, Т і),
П
где U„ — порот решающего устройства, при соответствующей ва риации параметров Рпр, Рлт, Ті и <U„. іВеличина порога существен но -влияет на среднее время поиска и должна оптимизироваться. Оптимизация поисковой процедуры, как пр.аівило, решается числен но. В следующих параграфих этой главы приводятся результаты ■расчетов многоэтапной поисковой процедуры, позволяющей сокра тить среднее время поиска.
2.3.МНОГОЭТАПНЫЙ ПОИСК СИГНАЛА ПО ЧАСТОТЕ
ИВРЕМЕНИ
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Существо многоэтапной процедуры поиска [31, 32, 36, 41—53]
состоит в |
том, что на |
.первом этапе осуществляется просмотр |
всех |
■ (ом. рис. 2.1) |
элементов плоскости неопределенности |
Д/о Д^о
19