Помехоустойчивая система радиосвязи. Выполняем все виды студенческих работ

Прежде чем приступить к написанию программ, необходимо изучить структуру программ на языке программирования С++. Своими словами, структура программ это разметка рабочей области (области кода) с целью чёткого определения основных блоков программ и синтаксиса. Структура программ несколько отличается в зависимости от среды программирования. Мы ориентируемся на IDE Microsoft Visual Studio, и по этому примеры программ будут показаны именно для MVS. Если вы используете другую IDE, то вам не составит труда перенести код из MVS в другие среды разработки, и вы поймете со временем, как это сделать.

Структура программ для Microsoft Visual Studio.

// struct_program.cpp: определяет точку входа для консольного приложения. #include "stdafx.h" //здесь подключаем все необходимые препроцессорные директивы int main() { // начало главной функции с именем main //здесь будет находится ваш программный код }

В строке 1 говорится о точке входа для консольного приложения, это значит, что данную программу можно запустить через командную строку Windows указав имя программы, к примеру, такое struct_program.cpp . Строка 1 является однострочным комментарием, так как начинается с символов // , подробнее о комментариях будет рассказано в следующей статье. В строке 2 подключен заголовочный файл "stdafx.h" . Данный файл похож на контейнер, так как в нем подключены основные препроцессорные директивы (те, что подключил компилятор, при создании консольного приложения), тут же могут быть подключены и вспомогательные (подключенные программистом).

include — директива препроцессора, т. е. сообщение препроцессору. Строки, начинающиеся с символа # обрабатываются препроцессором до компиляции программы.

Препроцессорные директивы также можно подключать и в строках, начиная после записи #include "stdafx.h" до начала главной функции. Причём такой способ подключения библиотек является основным, а использование "stdafx.h" — это дополнительная возможность подключения заголовочных файлов, которая есть только в MVS. С 4-й по 6-ю строки объявлена функция main . Строка 4 – это заголовок функции, который состоит из типа возвращаемых данных (в данном случае int), этой функцией, и имени функции, а также круглых скобок, в которых объявляются параметры функции.

int — целочисленный тип данных

Между фигурными скобочками размещается основной программный код, называемый еще телом функции. Это самая простая структура программы. Данная структура написана в Microsoft Visual Studio. Все выше сказанное остается справедливым и для других компиляторов, кроме строки 2. Контейнера "stdafx.h" нигде кроме MVS нет.

Структура программы для C++ Builder.

При создании консольного приложения мастер создания проектов создает автоматически следующий код:

//препроцессорная директива, автоматически подключённая мастером создания проектов #include int main() { return 0; }

Мы видим, что у функции тип данных — int . Это говорит о том что по завершении работы функция вернет какое-то целочисленное значение, в нашем случае 0. Целочисленное потому, что int – это тип данных для целых чисел, таких как 4, 5, 6, 456, 233 и т. д.

Главное помнить, что если тип возвращаемых данных у функции main — это int или любой другой, кроме void , то следует писать строку типа этой: return <возвращаемое значение>;

В строке 2 подключена библиотека vcl.h – её автоматически подключает мастер создания приложений, поэтому удалять её не следует, иначе проект не будет рабочим.

В общем говоря, мастер создает автоматически структуру программы, немного отличающуюся от тех, что мы рассмотрели, но суть остается та же.

Например:

Int main(int argc, char* argv) { return 0; }

Такой пример структуры генерируется мастером в MVS2010. Данный main немного отличается. Подробнее рассмотрим позже, но скажу, что данный main имеет такой вид, так как изначально рассчитан на поддержку юникода.

Юникод — стандарт кодирования символов, позволяющий представить знаки практически всех письменных языков. Подробнее о юникоде поговорим позже.

Существуют разные версии main , но в этом нет ничего страшного, так как main была главной функцией, так она ей и остается, поэтому все выше сказанное остается актуальным.

Пример структуры программы MVS с подключенными библиотеками.

#include "stdafx.h" #include using namespace std; int main() { }

Имя подключаемых библиотек пишется внутри знаков больше, меньше. Заголовочные файлы и имя подключаемых библиотек – синонимы.

Синтаксис подключения заголовочных файлов:

#include <имя заголовочного файла>

Более старые заголовочные файлы подключаются так (этот стиль подключения библиотек унаследован у языка программирования C):

#include <имя заголовочного файла.h>

Различие состоит в том, что после имени ставится расширение.h .

Язык программирования С++ является регистрозависимым. Например:
Return 0; – не правильно, будет ошибка компиляции.
return 0; – правильно!!!

В данной статье рассмотрены структуры программ на С++ в таких средах как MVS и Borland. И как вы уже заметили, эти структуры почти не отличаются. Поэтому данная статья актуальна для любой IDE. Если вы ещё не определились с выбором IDE, прочитайте .

Владельцы патента RU 2439794:

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обеспечения радиосвязи при наличии большого числа помех различной природы. Технический результат - повышение помехоустойчивости и мобильности системы связи. Устройство содержит М (М≥2) радиостанций, каждая из которых содержит N (N≥1) разнесенных антенн, подключенных к первым входам соответствующих приемных трактов, N аналого-цифровых преобразователей, радиомодем с подключенной приемопередающей антенной, мультиплексор, демультиплексор, адаптивный компенсатор помех, опорный генератор и блок управления. 4 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обеспечения радиосвязи при наличии большого числа помех различной природы.

Известна система радиосвязи, в радиостанциях (PC) которой используются адаптивные компенсаторы помех (АКП), приведенные, например, в описании полезной модели №30044 «Адаптивный компенсатор помех», 2002 г.

Недостатком указанного АКП является низкая эффективность при работе системы связи в сложной помеховой обстановке при числе помех больше одной.

Наиболее близкой по технической сущности является система радиосвязи, в радиостанции которой используется многоканальный адаптивный компенсатор помех, описанный в книге «Адаптивная компенсация помех в каналах связи» / Под ред. Ю.И.Лосева, М., Радио и связь, 1988, стр.22, принятая за прототип.

Структурная схема системы-прототипа, состоящей из N радиостанций, приведена на фиг.1.

Схема приемной части радиостанции-прототипа приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - N - разнесенные антенные элементы;

2 - N - приемные тракты;

3 - блок управления;

4 - опорный генератор;

6 - N-канальный адаптивный компенсатор помех (АКП).

Приемная часть радиостанции-прототипа содержит N разнесенных антенн 1, подключенных к первым входам соответствующих N приемных трактов 2. Выход общего опорного генератора 4 подключен ко вторым входам соответствующих N приемных каналов 2, линейные выходы которых через соответствующие N аналого-цифровые преобразователи 5 подключены к соответствующим входам N-канального АКП 6, выход которого является выходом полезного сигнала. Выход блока управления 3 соединен с третьими входами приемных трактов 2.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Полезный сигнал и помехи, приходящие с различных направлений, принимаются одновременно всеми антеннами 1. С выходов приемных антенн смесь сигнала и помех поступает на входы соответствующих приемных трактов 2, где производится частотная селекция, преобразование входного колебания на промежуточную частоту и необходимое линейное усиление. Для когерентного приема сигналов N разнесенными антеннами 1 используется общий опорный генератор 4. Блок управления 3 формирует сигналы, управляющие частотой настройки и другими параметрами всех приемных трактов одновременно.

Смеси сигнала и помех с выхода каждого приемного тракта преобразуются в N аналого-цифровых преобразователях 5 в цифровые отсчеты и поступают на вход N-канального компенсатора помех 6. На выходе АКП 6 формируются отсчеты полезного сигнала, очищенного от помех для дальнейшей обработки в радиостанции: демодуляции, декодирования и т.д.

С одной стороны, необходимость одновременного подавления большого (больше одной) числа помех возникает достаточно редко. И поэтому большие габариты и масса PC, обусловленные наличием многоканального приемного устройства и многоэлементной антенной системы, в большинстве случаев являются избыточными. С другой стороны, в случае, например, военной радиосвязи даже короткое нарушение связи вследствие воздействия помех влечет за собой исключительно тяжелые потери. Отсюда возникает необходимость компромисса, заключающегося в том, чтобы число компенсационных каналов приема АКП наращивать только по мере появления помеховых воздействий, то есть необходимость в динамическом изменении конфигурации приемного устройства PC в зависимости от помеховой обстановки. А это возможно при совместном использовании приемных каналов и антенн близко (на расстоянии нескольких длин волн) расположенных однотипных PC, например, узла связи.

Недостатком известной системы связи является громоздкость реализации в радиостанциях многоканального приемного устройства и многоэлементной антенной системы. Этот недостаток является решающим в случае, например, мобильных средств связи.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение помехоустойчивости и мобильности системы связи.

Для решения поставленной задачи в систему радиосвязи, состоящую из М (М≥2) радиостанций, каждая из которых содержит N (N≥1) разнесенных антенн, подключенных к первым входам соответствующих приемных трактов, линейные выходы которых через соответствующие N аналого-цифровые преобразователи подсоединены к соответствующим N входам адаптивного компенсатора помех, а также опорный генератор, выход которого соединен со вторыми входами N приемных трактов, и блок управления, подключенный к третьим входам приемных трактов, согласно изобретению, в приемную часть каждой радиостанции системы введены радиомодем с подключенной приемопередающей антенной, а также мультиплексор и демультиплексор, причем выходы N аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами мультиплексора, выход которого соединен с информационным входом радиомодема, информационный выход которого соединен с входами блока управления и демультиплексора, К выходов которого подсоединены к соответствующим введенным К входам адаптивного компенсатора помех, при этом управляющие входы мультиплексора, демультиплексора и радиомодема подсоединены к соответствующим выходам блока управления.

Схема приемной части PC, входящей в предлагаемую систему радиосвязи, приведена на фиг.3, где обозначено:

1.1-1.N - разнесенные антенные элементы;

2.1-2.N - приемные тракты;

3 - блок управления;

4 - опорный генератор;

5.1-5.N - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

6 - N-канальный аналоговый компенсатор помех (АКП);

7 - мультиплексор;

8 - демультиплексор;

9 - радиомодем;

10 - приемопередающая антенна радиомодема.

Предлагаемое устройство содержит N приемных антенн 1, подсоединенных к первым входам соответствующих N приемных трактов 2, выходы которых соединены с входами соответствующих N АЦП 5, выходы которых соединены с соответствующими N входами АКП 6, выход которого является выходом полезного сигнала. При этом выход опорного генератора 4 соединен со вторыми входами N приемных трактов 2. Кроме того, выходы N АЦП 5 соединены с соответствующими входами мультиплексора 7, выход которого соединен с информационным входом радиомодема 9 с подключенной к его другому входу приемопередающей антенной 10, информационный выход радиомодема 9 подсоединен к входам демультиплексора 8 и блока управления 3. Причем К выходов демультиплексора 8 соединены с введенными К входами АКП 6 соответственно. Первый выход блока управления 3 соединен со вторыми входами приемных трактов 2. Управляющие входы мультиплексора 7, демультиплексора 8 и радиомодема 9 подсоединены к соответствующим выходам блока управления 3.

В каждой радиостанции, имеющей минимальное число антенн N (следовательно, минимальные габариты), например, две, имеется встроенный АКП с (N+K) входами, позволяющий компенсировать (N+K-1) помех. Из них N входов обеспечиваются собственными антеннами, а К дополнительных входов обеспечиваются антеннами соседних PC, оцифрованные сигналы которых передаются с помощью встроенных радиомодемов. При одновременном воздействии более чем одной помехи, двухканальный компенсатор не позволяет выделять полезный сигнал.

В этом случае в предлагаемой системе связи PC, обслуживающая абонента с высоким приоритетом, имеет возможность увеличить число подавляемых помех без увеличения своих габаритов за счет использования дополнительных антенн и приемных трактов, расположенных в других радиостанциях узла связи.

Для обеспечения такой возможности в каждую PC дополнительно введен радиомодем с приемопередающей антенной, работающий в другом частотном диапазоне. Он обеспечивает, во-первых, внешнее управление по радиоканалу от более приоритетного абонента режимом работы (частотой настройки и т.д.) отдельных радиотрактов в PC. Во-вторых, через радиомодем передаются (или принимаются) цифровые значения отсчетов сигналов с выхода линейных радиотрактов соседних PC.

Предлагаемая система связи работает следующим образом.

Каждая PC может работать в системе либо как ведущая (с высоким приоритетом), либо как ведомая (с низким приоритетом).

В первом случае (с высоким приоритетом) PC работает следующим образом.

Начальная организация локальной сети встроенных радиомодемов не требует внешних команд и обеспечивается их внутренним программным обеспечением, как только они оказываются на расстоянии взаимной досягаемости. При этом радиомодемы автоматически обмениваются технологическими данными, в частности, о значении системного времени, взаимных приоритетах и т.п. Это реализовано в большинстве известных встраиваемых радиомодемах, например, таких как Bluetooth, ZigBee и др.

Далее, блок управления 3 ведущей PC через свой радиомодем передает ведомым PC команды, обеспечивающие настройку этих PC на одну и ту же частоту, а затем инициирует передачу через их встроенные радиомодемы цифровых отсчетов принятых сигналов.

Принятые по каналу радиомодема оцифрованные сигналы ведомых PC после демодуляции поступают на демультиплексор 8 и вход блока управления 3. В зависимости от индивидуального номера ведомой PC и номера ее антенны в локальной сети, блок управления адресует отсчеты сигнала этой PC на одни и те же выходы демультиплексора 8. Таким образом, на N входов АКП поступают отсчеты сигналов собственных радиотрактов, а на К других входов поступают отсчеты К ведомых PC. В результате количество подавляемых помех увеличивается до (N+K-1) без увеличения габаритов PC.

Во втором случае (с низким приоритетом) PC работает следующим образом.

После начальной организации локальной сети радиомодемов ведомая PC через свой радиомодем принимает команды управления настройкой (их получает блок управления PC), а затем блок управления 3 направляет последовательно через мультиплексор 7 отсчеты сигналов N приемных каналов на информационный вход радиомодема 9. Отсчеты сигналов радиотрактов передаются в виде пакетов в ведущую PC.

На фиг.4 представлена временная диаграмма сигналов (пакетов), принимаемых ведущей радиостанцией по каналу радиомодема 9. В момент Т=0 в самой ведущей радиостанции (в АЦП 5) производится взятие отсчетов сигналов с выхода собственных приемных трактов 2.

Длительность кадра, в котором периодически передаются данные от других PC, не должна превышать длительности интервала дискретизации Т д =1/F д, где F д - частота дискретизации принимаемого сигнала. Она, как известно, должна быть, по крайней мере, в два раза выше верхней частоты в спектре сигнала. Таким образом, до конца интервала Т д в ведущей PC оказываются отсчеты сигнала, принятого соседними PC в один и тот же момент времени.

Благодаря наличию в локальной сети системных часов, отсчеты сигналов во всех разнесенных радиотрактах производятся одновременно. Пакетный режим передачи отсчетов позволяет затем объединять на входе АКП 6 ведущей PC отсчеты сигналов, взятые в один и тот же момент в разнесенных ведомых PC.

Пространственно-разнесенный прием, осуществляемый с помощью приемных радиотрактов других объектов, связанных по локальной сети, будем называть сетевым приемом.

Таким образом, в условиях сетевого приема все антенны, подключенные к своим радиотрактам PC, расположенных на узле связи, представляют собой общий ресурс, который может оперативно перераспределяться с помощью локальной сети, образованной встроенными в PC радиомодемами, в зависимости от числа и приоритета обслуживаемых абонентов и изменяющейся помеховой обстановки.

Такое построение системы связи обеспечивает в самом крайнем случае, при воздействии комплекса помех, объединение ресурсов всех имеющихся на узле связи PC для обеспечения устойчивой связью наиболее приоритетное должностное лицо.

Кроме этого, в предлагаемой системе связи обеспечивается существенное повышение надежности радиосвязи путем предоставления технической возможности любому должностному лицу (при оперативной необходимости или в случае отказа своей PC) воспользоваться любой работоспособной PC соседних объектов, охваченных локальной сетью связи и управления.

В частном случае, в каждой PC системы может быть одна антенна и один приемный тракт (N=1). Такая PC лишена возможности подавления помех. Однако, благодаря наличию в ней АКП с (К+1) входами, появляется возможность обеспечить подавление К помех при наличии в зоне локальной сети К PC.

Описанное объединение ресурсов с целью помехоустойчивости наиболее ответственных линий связи возможно не только при организации узла связи, но в любом случае, когда PC оказываются в пределах досягаемости встроенных радиомодемов. Например, при движении отдельных PC на транспортных средствах в колонне, когда близко расположенные PC могут быть объединены через локальную сеть.

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ

Основные понятия и термины

Основными задачами, стоящими перед техникой связи, является решение двух проблем:

1) эффективности связи;

2) помехоустойчивости связи.

Эффективность связи заключается в том, чтобы передать наибольшее количество информации наиболее экономным способом.

Скорость передачи информации по каналу связи измеряется количеством информации, передаваемой в единицу времени. Максимальная скорость передачи информации, которую может обеспечить канал связи с данными характеристиками, называется его пропускной способностью.

Помехоустойчивость связи – это способность системы сохранять свои функции неизменными или изменяющимися в допустимых пределах при действии помех.

Количественно помехоустойчивость оценивается различными показателями, использующими вероятностное описание сигналов и помех. Например, применяются такие показатели, как отношение сигнал/шум на входе и выходе приёмного устройства, вероятность правильного обнаружения сигнала, при передаче дискретных сообщений используется вероятность ошибки, а при передаче непрерывных сообщений в качестве меры различия между переданным и принятым сообщением часто используется среднеквадратическое отклонение.

В теории помехоустойчивости различают две основные задачи – анализ и синтез сигналов.

Задача анализа состоит в расчете показателей помехоустойчивости существующих (разработанных) систем. В этом случае, полагая известными вероятностное описание сигнала и помехи на входе, определяют вероятностные характеристики выходного процесса, а по нему – показатели помехоустойчивости. Эта задача, по своей сути, сводится к анализу прохождения случайного процесса через линейные и нелинейные цепи, из которых состоит система.

Задача синтеза заключается в определении структурной схемы системы или, в более простом варианте, структурной схемы радиоприёмного устройства, которое обладало бы наилучшими, или оптимальными, показателями помехоустойчивости при заданном предназначении устройства и при известном вероятностном описании сигнала и помехи на входе.

Задача синтеза называется также задачей оптимального радиоприёма и разделяется на четыре частные подзадачи: обнаружения сигнала, различения сигналов, оценки параметров сигнала, фильтрации сигнала или сообщений.

В подзадаче обнаружения требуется по заданному критерию оптимальности на основании наблюдения процесса ответить на вопрос, содержит ли наблюдаемый процесс вместе с помехой сигнал или является только помехой?

В подзадаче различения требуется по заданному критерию оптимальности ответить на вопрос, какой именно сигнал вместе с помехой присутствует в наблюдаемом процессе, поскольку этот процесс может вместе с помехой содержать один из двух взаимно исключающих сигналов.

В подзадаче оценки параметров требуется по заданному критерию оценить неизвестные параметры сигнала. Считается, что в наблюдаемом процессе вместе с помехой существует сигнал с одним или несколькими неизвестными параметрами (параметр является случайной, но постоянной величиной на интервале наблюдения).

К задаче оценки параметров тесно примыкает задача разрешения сигнала, когда считается, что вместе с помехой в наблюдаемом процессе могут существовать один или два сигнала, неизвестные параметры которых незначительно различаются между собой. Однако сколько этих сигналов – один или два – заранее неизвестно. Требуется, увеличивая различие между параметрами сигнала, определить то наименьшее различие, при котором наступает уверенное разрешение сигналов.

В подзадаче оптимальной фильтрации требуется в каждый момент времени дать оценку меняющемуся параметру по заданному критерию оптимальности. Считается, что в соответствии со случайным законом модуляции в наблюдаемом процессе существует вместе с помехой сигнал с изменяющимся во времени параметром, т. е. параметр является случайной функцией времени.

В процессе передачи сообщений в системах связи выполняются различные преобразования, основные из которых показаны на упрощенной структурной схеме дискретной системы связи (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Упрощенная структурная схема дискретной системы связи

Источник сигнала ИС включает в себя источник сообщений и преобразователь сообщения a (t ) в первичный сигнал b (t ). Первичный сигнал подвергается кодированию (экономному и/или помехоустойчивому) в кодере К , после чего сигнал b ц (t ), называемый цифровым, поступает в модулятор М (передатчик), вырабатывающий сигнал u (t ), приспособленный по своим характеристикам для передачи по линии связи ЛС. В линии связи происходит искажение сигнала и его взаимодействие с помехой ξ (t ) (в простейшем случае аддитивное), в результате чего на вход демодулятора ДМ (приемника) поступает наблюдаемое колебание z (t ). Демодулятор выполняет функцию, обратную модуляции, поэтому, в идеале, на его выходе должен быть выработан сигнал b ц (t ). Однако в реальности вследствие воздействия помех результат демодуляции отличается от сигнала b ц (t ), поэтому результат декодирования не совпадает с первичным сигналом b (t ).

Для облегчения восприятия в дальнейшем рассматривается идеализированный канал связи без памяти, в котором отсутствуют искажения сигнала, тогда наблюдаемое

, (17.1)

где s (t ) – посылка длительности τ, ξ (t ) – помеха.

Задача демодулятора состоит в том, чтобы по наблюдаемому колебанию z (t ) принять такое решение о переданном сигнале b ц (t ), которое обеспечило бы максимальную верность. Правило (алгоритм) принятия решения – это закон преобразования z (t ) в . Поскольку помеха является случайной, задача построения оптимального (наилучшего) демодулятора представляет собой статистическую задачу и решается на основе методов теории вероятности и математической статистики (теории статистических решений).

Материалом для принятия решения в демодуляторе служит в анализируемом случае реализация колебания z (t ) на интервале длительности T . Если бы помеха отсутствовала, то эта реализация совпадала бы с элементарным сигналом (посылкой), который можно считать точкой в гильбертовом пространстве сигналов, определенных на заданном временном интервале. Все возможные в данной системе связи посылки изображаются различными точками, и демодулятор должен вырабатывать свои решения в зависимости от того, какой именно точке соответствует принятая реализация z (t ).

Реализация помехи, взаимодействуя с посылкой, смещает точку, изображающую принятую реализацию, причем смещение случайно вследствие случайного характера помехи. Если смещения будут значительными, демодулятор может ошибаться. Ошибка является случайным событием, поэтому качество решения можно характеризовать вероятностью ошибки.

Задача синтеза оптимального приемника (демодулятора) ставится следующим образом: найти оптимальный алгоритм обработки и оптимальное правило, обеспечивающие максимальную вероятность безошибочного (правильного) решения.

Максимум этой вероятности академик РАН В. А. Котельников назвал потенциальной помехоустойчивостью, а приемник, реализующий этот максимум, – идеальным приемником .

Алгоритм работы приемника состоит в разбиении гильбертова пространства реализаций входного колебания на области так, что решение принимается в соответствии с тем, какой области принадлежит принятая реализация. Количество областей равно количеству различных кодовых символов данной системы связи. Ошибка возникает, если в результате воздействия помехи реализация попадает в «чужую» область. Оптимальный приемник разбивает пространство реализаций наилучшим образом, поэтому средняя вероятность ошибки минимальна при всех возможных разбиениях.

Каждая область соответствует предположению (гипотезе) о том, что передан был один из возможных сигналов.

Пример. Предположим, что результатом обработки в двоичной системе связи с амплитудной телеграфией является значение y , соответствующее окончанию интервала наблюдения. Если в колебании z (t ) присутствует только шум, имеющий гауссово распределение с нулевым математическим ожиданием, то плотность распределения величины y имеет вид:

, (17.2)

если кроме шума на вход приемника поступает сигнал, то результат обработки имеет ненулевое (для определенности – положительное) среднее значение a , и плотность распределения величины y имеет вид:

. (17.3)

Гипотезы, соответствующие выражениям (17.2) и (17.3), являются простыми. Если среднеквадратическое отклонение σ неизвестно, гипотезы являются сложными.

Рассмотрим систему связи, в которой используются K различных символов. Тогда демодулятор должен различать K различных гипотез. При этом возможны ошибки: может быть принято решение D j в пользу j -й гипотезы, в то время как справедливой является i -я гипотеза. Такая ситуация характеризуется условной вероятностью ошибки p ij = P {D j / H i }. Различные ошибки могут наносить разный вред, поэтому вводится численная характеристика П ij , называемая потерей, или риском.

Каждая (i -я) гипотеза характеризуется некоторой вероятностью p i осуществления, которая называется априорной вероятностью. Суммируя возможные ошибки, можно ввести усредненную характеристику (критерий) качества принятия решения, называемую средним риском: .

Средний риск представляет собой математическое ожидание потерь, связанных с принятием решения.

Если априорные вероятности гипотез точно известны, а потери назначены обоснованно, то приемник, обеспечивающий наименьший средний риск, будет наиболее выгодным. Критерий минимума среднего рисканазывают также критерием Байеса.

Иногда потери, связанные с различными ошибками, принимают равными друг другу, П ij =П ; П i i = 0; i = 1,… К , тогда оптимальный байесовский приемник обеспечивает минимальную среднюю вероятностьошибки (критерий идеального наблюдателя) и называется идеальным приемником Котельникова:

.

Если принять равными и априорные вероятности гипотез p i = 1/K ;
i = 1,…К , то критерий Байеса сводится к критерию минимума суммарнойусловной вероятности ошибки:

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обеспечения радиосвязи при наличии большого числа помех различной природы. Технический результат - повышение помехоустойчивости и мобильности системы связи. Устройство содержит М (М 2) радиостанций, каждая из которых содержит N (N 1) разнесенных антенн, подключенных к первым входам соответствующих приемных трактов, N аналого-цифровых преобразователей, радиомодем с подключенной приемопередающей антенной, мультиплексор, демультиплексор, адаптивный компенсатор помех, опорный генератор и блок управления. 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2439794

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для обеспечения радиосвязи при наличии большого числа помех различной природы.

Известна система радиосвязи, в радиостанциях (PC) которой используются адаптивные компенсаторы помех (АКП), приведенные, например, в описании полезной модели № 30044 «Адаптивный компенсатор помех», 2002 г.

Недостатком указанного АКП является низкая эффективность при работе системы связи в сложной помеховой обстановке при числе помех больше одной.

Наиболее близкой по технической сущности является система радиосвязи, в радиостанции которой используется многоканальный адаптивный компенсатор помех, описанный в книге «Адаптивная компенсация помех в каналах связи» / Под ред. Ю.И.Лосева, М., Радио и связь, 1988, стр.22, принятая за прототип.

Структурная схема системы-прототипа, состоящей из N радиостанций, приведена на фиг.1.

Схема приемной части радиостанции-прототипа приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - N - разнесенные антенные элементы;

2 - N - приемные тракты;

3 - блок управления;

4 - опорный генератор;

6 - N-канальный адаптивный компенсатор помех (АКП).

Приемная часть радиостанции-прототипа содержит N разнесенных антенн 1, подключенных к первым входам соответствующих N приемных трактов 2. Выход общего опорного генератора 4 подключен ко вторым входам соответствующих N приемных каналов 2, линейные выходы которых через соответствующие N аналого-цифровые преобразователи 5 подключены к соответствующим входам N-канального АКП 6, выход которого является выходом полезного сигнала. Выход блока управления 3 соединен с третьими входами приемных трактов 2.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Полезный сигнал и помехи, приходящие с различных направлений, принимаются одновременно всеми антеннами 1. С выходов приемных антенн смесь сигнала и помех поступает на входы соответствующих приемных трактов 2, где производится частотная селекция, преобразование входного колебания на промежуточную частоту и необходимое линейное усиление. Для когерентного приема сигналов N разнесенными антеннами 1 используется общий опорный генератор 4. Блок управления 3 формирует сигналы, управляющие частотой настройки и другими параметрами всех приемных трактов одновременно.

Смеси сигнала и помех с выхода каждого приемного тракта преобразуются в N аналого-цифровых преобразователях 5 в цифровые отсчеты и поступают на вход N-канального компенсатора помех 6. На выходе АКП 6 формируются отсчеты полезного сигнала, очищенного от помех для дальнейшей обработки в радиостанции: демодуляции, декодирования и т.д.

С одной стороны, необходимость одновременного подавления большого (больше одной) числа помех возникает достаточно редко. И поэтому большие габариты и масса PC, обусловленные наличием многоканального приемного устройства и многоэлементной антенной системы, в большинстве случаев являются избыточными. С другой стороны, в случае, например, военной радиосвязи даже короткое нарушение связи вследствие воздействия помех влечет за собой исключительно тяжелые потери. Отсюда возникает необходимость компромисса, заключающегося в том, чтобы число компенсационных каналов приема АКП наращивать только по мере появления помеховых воздействий, то есть необходимость в динамическом изменении конфигурации приемного устройства PC в зависимости от помеховой обстановки. А это возможно при совместном использовании приемных каналов и антенн близко (на расстоянии нескольких длин волн) расположенных однотипных PC, например, узла связи.

Недостатком известной системы связи является громоздкость реализации в радиостанциях многоканального приемного устройства и многоэлементной антенной системы. Этот недостаток является решающим в случае, например, мобильных средств связи.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение помехоустойчивости и мобильности системы связи.

Для решения поставленной задачи в систему радиосвязи, состоящую из М (М 2) радиостанций, каждая из которых содержит N (N 1) разнесенных антенн, подключенных к первым входам соответствующих приемных трактов, линейные выходы которых через соответствующие N аналого-цифровые преобразователи подсоединены к соответствующим N входам адаптивного компенсатора помех, а также опорный генератор, выход которого соединен со вторыми входами N приемных трактов, и блок управления, подключенный к третьим входам приемных трактов, согласно изобретению, в приемную часть каждой радиостанции системы введены радиомодем с подключенной приемопередающей антенной, а также мультиплексор и демультиплексор, причем выходы N аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами мультиплексора, выход которого соединен с информационным входом радиомодема, информационный выход которого соединен с входами блока управления и демультиплексора, К выходов которого подсоединены к соответствующим введенным К входам адаптивного компенсатора помех, при этом управляющие входы мультиплексора, демультиплексора и радиомодема подсоединены к соответствующим выходам блока управления.

Схема приемной части PC, входящей в предлагаемую систему радиосвязи, приведена на фиг.3, где обозначено:

1.1-1.N - разнесенные антенные элементы;

2.1-2.N - приемные тракты;

3 - блок управления;

4 - опорный генератор;

5.1-5.N - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

6 - N-канальный аналоговый компенсатор помех (АКП);

7 - мультиплексор;

8 - демультиплексор;

9 - радиомодем;

10 - приемопередающая антенна радиомодема.

Предлагаемое устройство содержит N приемных антенн 1, подсоединенных к первым входам соответствующих N приемных трактов 2, выходы которых соединены с входами соответствующих N АЦП 5, выходы которых соединены с соответствующими N входами АКП 6, выход которого является выходом полезного сигнала. При этом выход опорного генератора 4 соединен со вторыми входами N приемных трактов 2. Кроме того, выходы N АЦП 5 соединены с соответствующими входами мультиплексора 7, выход которого соединен с информационным входом радиомодема 9 с подключенной к его другому входу приемопередающей антенной 10, информационный выход радиомодема 9 подсоединен к входам демультиплексора 8 и блока управления 3. Причем К выходов демультиплексора 8 соединены с введенными К входами АКП 6 соответственно. Первый выход блока управления 3 соединен со вторыми входами приемных трактов 2. Управляющие входы мультиплексора 7, демультиплексора 8 и радиомодема 9 подсоединены к соответствующим выходам блока управления 3.

В каждой радиостанции, имеющей минимальное число антенн N (следовательно, минимальные габариты), например, две, имеется встроенный АКП с (N+K) входами, позволяющий компенсировать (N+K-1) помех. Из них N входов обеспечиваются собственными антеннами, а К дополнительных входов обеспечиваются антеннами соседних PC, оцифрованные сигналы которых передаются с помощью встроенных радиомодемов. При одновременном воздействии более чем одной помехи, двухканальный компенсатор не позволяет выделять полезный сигнал.

В этом случае в предлагаемой системе связи PC, обслуживающая абонента с высоким приоритетом, имеет возможность увеличить число подавляемых помех без увеличения своих габаритов за счет использования дополнительных антенн и приемных трактов, расположенных в других радиостанциях узла связи.

Для обеспечения такой возможности в каждую PC дополнительно введен радиомодем с приемопередающей антенной, работающий в другом частотном диапазоне. Он обеспечивает, во-первых, внешнее управление по радиоканалу от более приоритетного абонента режимом работы (частотой настройки и т.д.) отдельных радиотрактов в PC. Во-вторых, через радиомодем передаются (или принимаются) цифровые значения отсчетов сигналов с выхода линейных радиотрактов соседних PC.

Предлагаемая система связи работает следующим образом.

Каждая PC может работать в системе либо как ведущая (с высоким приоритетом), либо как ведомая (с низким приоритетом).

В первом случае (с высоким приоритетом) PC работает следующим образом.

Начальная организация локальной сети встроенных радиомодемов не требует внешних команд и обеспечивается их внутренним программным обеспечением, как только они оказываются на расстоянии взаимной досягаемости. При этом радиомодемы автоматически обмениваются технологическими данными, в частности, о значении системного времени, взаимных приоритетах и т.п. Это реализовано в большинстве известных встраиваемых радиомодемах, например, таких как Bluetooth, ZigBee и др.

Далее, блок управления 3 ведущей PC через свой радиомодем передает ведомым PC команды, обеспечивающие настройку этих PC на одну и ту же частоту, а затем инициирует передачу через их встроенные радиомодемы цифровых отсчетов принятых сигналов.

Принятые по каналу радиомодема оцифрованные сигналы ведомых PC после демодуляции поступают на демультиплексор 8 и вход блока управления 3. В зависимости от индивидуального номера ведомой PC и номера ее антенны в локальной сети, блок управления адресует отсчеты сигнала этой PC на одни и те же выходы демультиплексора 8. Таким образом, на N входов АКП поступают отсчеты сигналов собственных радиотрактов, а на К других входов поступают отсчеты К ведомых PC. В результате количество подавляемых помех увеличивается до (N+K-1) без увеличения габаритов PC.

Во втором случае (с низким приоритетом) PC работает следующим образом.

После начальной организации локальной сети радиомодемов ведомая PC через свой радиомодем принимает команды управления настройкой (их получает блок управления PC), а затем блок управления 3 направляет последовательно через мультиплексор 7 отсчеты сигналов N приемных каналов на информационный вход радиомодема 9. Отсчеты сигналов радиотрактов передаются в виде пакетов в ведущую PC.

На фиг.4 представлена временная диаграмма сигналов (пакетов), принимаемых ведущей радиостанцией по каналу радиомодема 9. В момент Т=0 в самой ведущей радиостанции (в АЦП 5) производится взятие отсчетов сигналов с выхода собственных приемных трактов 2.

Длительность кадра, в котором периодически передаются данные от других PC, не должна превышать длительности интервала дискретизации Т д =1/F д, где F д - частота дискретизации принимаемого сигнала. Она, как известно, должна быть, по крайней мере, в два раза выше верхней частоты в спектре сигнала. Таким образом, до конца интервала Т д в ведущей PC оказываются отсчеты сигнала, принятого соседними PC в один и тот же момент времени.

Благодаря наличию в локальной сети системных часов, отсчеты сигналов во всех разнесенных радиотрактах производятся одновременно. Пакетный режим передачи отсчетов позволяет затем объединять на входе АКП 6 ведущей PC отсчеты сигналов, взятые в один и тот же момент в разнесенных ведомых PC.

Пространственно-разнесенный прием, осуществляемый с помощью приемных радиотрактов других объектов, связанных по локальной сети, будем называть сетевым приемом.

Таким образом, в условиях сетевого приема все антенны, подключенные к своим радиотрактам PC, расположенных на узле связи, представляют собой общий ресурс, который может оперативно перераспределяться с помощью локальной сети, образованной встроенными в PC радиомодемами, в зависимости от числа и приоритета обслуживаемых абонентов и изменяющейся помеховой обстановки.

Такое построение системы связи обеспечивает в самом крайнем случае, при воздействии комплекса помех, объединение ресурсов всех имеющихся на узле связи PC для обеспечения устойчивой связью наиболее приоритетное должностное лицо.

Кроме этого, в предлагаемой системе связи обеспечивается существенное повышение надежности радиосвязи путем предоставления технической возможности любому должностному лицу (при оперативной необходимости или в случае отказа своей PC) воспользоваться любой работоспособной PC соседних объектов, охваченных локальной сетью связи и управления.

В частном случае, в каждой PC системы может быть одна антенна и один приемный тракт (N=1). Такая PC лишена возможности подавления помех. Однако, благодаря наличию в ней АКП с (К+1) входами, появляется возможность обеспечить подавление К помех при наличии в зоне локальной сети К PC.

Описанное объединение ресурсов с целью помехоустойчивости наиболее ответственных линий связи возможно не только при организации узла связи, но в любом случае, когда PC оказываются в пределах досягаемости встроенных радиомодемов. Например, при движении отдельных PC на транспортных средствах в колонне, когда близко расположенные PC могут быть объединены через локальную сеть.

Радиостанции, входящие в предлагаемую систему связи, могут быть реализованы из широко известных узлов, назначение которых ясно из прилагаемых чертежей и к которым не предъявляются специфические дополнительные требования. Так, для реализации радиоприемных трактов существует большое количество наборов микросхем (чипсетов) от разных мировых производителей.

В качестве встроенных радиомодемов можно использовать известные законченные решения, например, радиомодемы ZigBee, Bluetooth или им подобные, обеспечивающие высокое качество передачи цифровой информации со скоростью порядка 2 Мбит/с на расстоянии до 100 м.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Помехоустойчивая система радиосвязи, состоящая из М (М 2)

радиостанций, каждая из которых содержит N (N 1) разнесенных антенн, подключенных к первым входам соответствующих приемных трактов, линейные выходы которых через соответствующие N аналого-цифровые преобразователи подсоединены к соответствующим N входам адаптивного компенсатора помех, а также опорный генератор, выход которого соединен со вторыми входами N приемных трактов, и блок управления, подключенный к третьим входам приемных трактов, отличающаяся тем, что в приемную часть каждой радиостанции системы введены радиомодем с подключенной приемопередающей антенной, а также мультиплексор и демультиплексор, причем выходы N аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами мультиплексора, выход которого соединен с информационным входом радиомодема, информационный выход которого соединен с входами блока управления и демультиплексора, К выходов которого подсоединены к соответствующим введенным К входам адаптивного компенсатора помех, при этом управляющие входы мультиплексора, демультиплексора и радиомодема подсоединены к соответствующим выходам блока управления.

2. Задание на курсовую работу.

3. Исходные данные.

4. Структурная схема системы связи.

5. Временные и спектральные диаграммы на выходах функциональных блоков системы связи.

6. Структурная схема приемника.

7. Принятие решения по одному отсчету.

8. Вероятность ошибки на выходе приемника.

9. Выигрыш в отношении сигнал/шум при применении оптимального приемника.

10. Максимально возможная помехоустойчивость при заданном виде сигнала.

11. Принятие решения приемником по трем независимым отсчетам.

12. Вероятность ошибки при использовании метода синхронного накопления.

13. Расчет шума квантования при передаче сигналов методом ИКН.

14. Использование сложных сигналов и согласованного фильтра.

15. Импульсная характеристика согласованного фильтра.

16. Схема согласованного фильтра для приема сложных сигналов. Форма сложных сигналов на выходе СФ при передаче символов “1” и “0”.

17. Оптимальные пороги решающего устройства при синхронном и асинхронном способах принятия решения при приеме сложных сигналов согласованным фильтром.

18. Энергетический выигрыш при применении согласованного фильтра.

19. Вероятность ошибки на выходе приемника при применении сложных сигнал согласованного фильтра.

20. Пропускная способность разработанной системы связи.

21. Заключение.

Введение.

Задачей данной курсовой работы является описание системы связи для передач непрерывного сообщения дискретными сигналами.

Передача информации занимает высокое место в жизнедеятельности современного общества. Самая главная задача, при передаче информации – это передача её без искажений. Наиболее перспективным в этом направлении является передача аналоговых сообщений дискретными сигналами. Этот метод дает большое преимущество в помехоустойчивости линий информации. Все современные информационные сети строятся на этом принципе.

Кроме этого дискретный канал связи прост в эксплуатации и, по нему можно передавать любую информацию, т.е. он обладает универсальностью. Все это делает такие каналы связи наиболее перспективными в данный момент.

1. Задание на курсовую работу.

Разработать обобщенную структурную схему системы связи для передачи непрерывных сообщений дискретными сигналами, разработать структурную схему приемника и структурную схему оптимального фильтра, рассчитать основные характеристики разработанной системы связи и сделать обобщающие выводы по результатам работы.

2. Исходные данные.

1) Номер варианта N=1.

2) Вид сигнала в канале связи DAM .

3) Скорость передачи сигналов V=6000 Бод.

4) Амплитуда канальных сигналов А=3 мВ.

5) Дисперсия шума x*x=0.972 мкВт.

7) Способ передачи сигнала КГ .

8) Полоса пропускания реального приемника Df=12 кГц.

9) Значение отсчёта Z(t0)=0.75 мВ

d f=12 кГц.

10) Значение отсчётов Z(t1)=0.75мВ

11) Максимальная амплитуда на выходе АЦП b max=2.3 В.

12) Пик фактор П.=1,6.

13) Число разрядов двоичного кода n=8.

14) Вид дискретной последовательности сложного сигнала

1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1

3. Структурная схема системы связи.

Система связи представляет собой совокупность радиотехнических средств, обеспечивающих передачу информации от источника к получателю. Рассмотрим схему системы связи.

Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называют передающим устройством, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение, приемным устройством.

Рассмотрим передающее устройство:

Фильтр нижних частот ограничивает спектр исходного сообщения, чтобы он удовлетворял теореме Котельникова, что необходимо для дальнейшего преобразования.

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует непрерывное сообщение в цифровую форму. Это преобразование состоит из трех операций: сначала непрерывное сообщение подвергается дискретизации по времени через интервал; полученные отсчеты мгновенных значений квантуются (Квант.); полученная последовательность квантованных значений передаваемого сообщения представляется в виде последовательности двоичных кодовых комбинаций посредством кодирования.

Полученный выхода АЦП сигнал поступает на вход Амплитудного модулятора, где последовательность двоичных импульсов преобразуется в радиоимпульсы, которые поступают непосредственно в канал связи.

На приемной стороне канала связи последовательность импульсов после демодуляции в демодуляторе поступает на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), назначение которого состоит в восстановлении непрерывного сообщения по принятой последовательности кодовых комбинаций. В состав ЦАП входит Декодер, предназначенный для преобразования кодовых комбинаций в квантовую последовательность отсчетов, и сглаживающий фильтр (ФНЧ), восстанавливающий непрерывное сообщение по квантованным значениям.

4. Временные и спектральные диаграммы на выходах функциональных блоков системы связи.

1) Непрерывное сообщение.

2) Фильтр низких частот.

3) Дискретизатор.

4) Квантователь.

6) Модулятор.

7) Канал связи.

8) Демодулятор.

10) Фильтр нижних частот.

11) Получатель.

5. Структурная схема приёмника.

При когерентном приеме применяется синхронный детектор, который устраняет влияние ортогональной составляющей вектора помехи. Составляющая x=E п · cosj имеет нормальный закон распределения и мощность

. Поэтому вероятность искажения посылки р (0/1) и вероятность искажения паузы р (1/0) будут равны

Сигнал Z(t) поступает на перемножитель, где происходит его перемножение с сигналом, пришедшим с линии задержки. Далее сигнал подвергается интегрированию, после чего он поступает на решающее устройство, где выносится решение в пользу сигнала S1(t) или S2(t).

6. Принятие решения по одному отсчёту.

Сообщения передаются последовательностью двоичных символов «1» и «0», которые появляются с априорными вероятностями соответственно P(1)=0.09 и P(0)=0.91.

Этим символам соответствуют начальные сигналы S1 и S2,которые точно известны в месте приема. В канале связи на передаваемые сигналы воздействует Гауссовский шум с дисперсией D=0.972 мкВт. Приёмник, оптимальный по критерию идеального наблюдателя принимает решения по одному отсчету смеси сигнала и помехи на интервале сигнала длительностью Т .

Для принятия «1» по критерию идеального наблюдателя необходимо выполнение неравенства:

в противном случае принимается «0».

Для применения критерия идеального наблюдателя необходимо выполнение трех условий:

Чтобы сигналы были полностью известны.

1) Чтобы в канале связи действовали помехи с Гауссовским законом распределения.