Cинхронизация в системах связи со сверхкороткими импульсами

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Cинхронизация в системах связи
со сверхкороткими импульсами
Ключевые слова: синхронизация,
сверхкороткий импульс, гауссовский
моноцикл, когерентный прием,
энергетический приемник.
Рассматриваются основные алгоритмы синхронизации, применяемые в системах связи со
сверхкороткими импуульсами. Технологии связи, использующие в качестве носителя информации
ют следующими преимуществами перед традиционными
сверхкороткие импульсы обладаю
ыми системами связи, структура
системами связи: простая, по сравнению с традиционны
передатчика, меньшая требуемая мощность передатчика, высокая абонентсккая емкость,
высокая скорость передачи информации, меньшая чувствительность к шумам в канале, высокаяя
скрытность передачи информации. Так же системы связи со сверхкороткими импульсами не
атков, таких как: малый радиус действия, сложная структура приемника. Вопросы
лишены недоста
ах связи со сверхкороткими импульсами являются наименее
синхронизации в система
изученными, и потому представляют большой интерес для исследования. Статья ставит перед
собой цель дать общее представлении о возможных методах синхронизации.
Евсигнеев В.Е.,
аспирант МТУСИ,
[email protected]
Сперанский В.С.,
профессор МТУСИ,
[email protected]
Введение
Сверхширокополосными системами называются такие системы
связи или локации, в которых для передачи информации исполь+
зуются сверхширокополосные сигналы. Основная идея сверхширо+
кополосной технологии — передача сообщений при помощи им+
пульсов малой длительности, имеющих очень высокую пиковую
мощность и частоты спектра от близкой к частоте постоянной
составляющей до нескольких гигагерц. В спектре этих импульсов,
длительностью наносекунды или даже короче, содержатся тысячи
различных частот, для передачи которых потребовался бы уровень
мощности в пределах нескольких мегаватт. Однако каждая из этих
частот имеет очень низкий уровень мощности в каждой отдельной
спектральной составляющей. Это свойство способствует распреде+
лению энергии сигнала по широкой полосе частот, что отличает
системы со сверхширокополосными сигналами от общепринятых
узкополосных систем, где вся информация сосредоточена в неболь+
шой полосе частот вокруг несущей частоты.
Согласно определению [1], сверхширокополосными называют
сигналы, у которых относительная ширина полосы частот ∆ равна
или приближается к единице. Относительная ширина полосы частот
определяется как:
импульсов делает сверхширокополосные системы очень
чувствительными к ошибкам синхронизации. Таким образом,
вопросы синхронизации становятся одной из основных проблем на
пути развития данной технологии.
I. Метод быстрой синхронизации
Данная методика была предложена в [2]. Структурная схема
устройства представлена на рис. 3.
1. Блок увеличения отношения сигнал шум.
Данный блок подавляет различные виды несверхшироко+
полосных помех, при этом сохраняя сам СШП сигнал. Снижение
влияния помех достигается за счет применения петли обратной
связи. Петля обратной связи включает в себя блок задержки T,
равный периоду повторения импульсов в сигнале, а так же
усилительный элемент, с коэффициентом усиления α < 1.
Как видно из рис. 3, принимаемый сигнал r(t) проходит
несколько итераций в петле обратной связи.Так как период
задержки в петле равен периоду следования импульсов в сигнале, то
при каждой следующей итерации мощность сигнала будет
возрастать. Работу устройства можно описать с помощью
следующих уравнений:
Сигнал на входе блока оценки и синхронизации:
(3)
Сигнал на выходе приемника:
,
где fв — высшая, а fн — низшая значимые гармоники в спектре
анализируемых сигналов, оцениваемые обычно на уровне 0.5.
Сегодня системы и сигналы, у которых ∆ <0.01 относят к
узкополосным, если 0.01 < ∆ < 0.25, то к широкополосным, при
0.25< ∆ < 1 говорят о СШП системах и сигналах.
Устройства синхронизации, рассмотренные в данной работе,
ориентированы на сверхширокополосные сигналы, полученные
путем модуляции по амплитуде гармонической функции (4):
(1)
где fo— центральная частота,A(t) — формирующая функция:
,
(2)
где fo — центральная частота, To — длительность импульса.
На рисунках 1 и 2 представлены графики сигналов и соответ+
ственно. Жесткое ограничение мощности и короткая длительность
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3. Структурная схема приемника с быстрой синхронизацией
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
(4)
Сигнал в петле обратной связи:
(5)
Подставив уравнение (5) в (3) и (4) получим окончательное
уравнение, описывающее сигнал на выходе приемника :
Рис. 5. Структурная схема Петли Костаса
и сигнал на входе устройства оценки и синхронизации:
2. Блок оценки и синхронизации
Блок оценки и синхронизации включает в себя пороговое
устройство и счетчик. В данном блоке происходит сравнение мощ+
ности сигнала с порогом. Как только мощность сигнала, превысила
начальный порог, значит, достигнута грубая синхронизация. Для до+
стижения точной синхронизации необходимо повторять процедуру
сравнения с порогом каждые T секунд на протяжении всего времени
передачи сигнала. Данный алгоритм может быть записан как:
1.
2. Если
3.
порог
— задается окно интегрирования
4. Иначе k = k + 1
5. Повторять шаги 2+4.
На рис. 4 представлен график зависимости вероятности ошибки
от отношения сигнал шум на входе приемника.
II. Петля Костаса.
Так как для формирования сверхширокополосного сигнала ис+
пользуется гармоническое колебание (1), то для синхронизации
возможно применить методы, используемы в узкополосных систе+
мах. Одним из таких методов является так называемая "Петля Кос+
таса" [3]. Структурная схема устройства приведена на рис. 5.
Данное устройство работает аналогично описанному в [3], за
исключением того, что вводится дополнительный генератор форми+
Рис. 6. График сигнала ошибки в Петле Костаса.
рующей функции (2) (ГФФ) для формирования опорного сигнала.
Сигнал ошибки управляет не только фазой высокочастотного запол+
нения формирующего импульса, но и "фазой" самого импульса
(положением на временной оси).
Интересно заметить, что оптимальный ФНЧ для подавления сла+
гаемых с двойной частотой в петле Костаса — это фильтр, согла+
сованный с сигнальным импульсом информационной последова+
тельности. Использование согласованного фильтра ведет к мень+
шему шуму в петле.
На рисунке 6 представлена временная зависимость сигнала
ошибки (регулировочная характеристика)
Из рисунка видно, что через 20 нс сигнал ошибки приходит к по+
стоянному значению, что говорит о вхождении системы в синхронизм.
Выводы
В данной статье были рассмотрены два метода синхронизации
систем связи со сверхкороткими импульсами. Метод быстрой син+
хронизации позволяет работать при низких значениях отношения
сигнал/шум, имеет простой алгоритм работы и может быть при+
менен в системах связи.
Устройство, основанное на петле Костаса, позволяет исполь+
зовать в сверхширокополосных системах связи гармонически сиг+
налы, техника формирования и обработки которых в настоящее
время досконально проработаны.
ЛИТЕРАТУРА
Рис. 4. Кривая зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал шум,
при 20 итерациях в петле обратной связи
1. Иммомореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возмож+
ности, необычные проблемы, системные особенности. — Вестник МГТУ. —
1998. — №4. — С.128+133.
2. FaranakNekoogar, FaridDowla, Alex Spiridon. Rapid Synchroni+
zation of Ultra+Wideband Transmitted+Reference Receivers.
3. Шахтарин Б.И. Синхронизация в радиосвязи и радио+навигации. —
М: Гелиос АРВ, 2007. — 256 стр.
apatapan, WatitBenjapolakul, Kiyomichi Araki. Time
4. ChaiyapornKhema
hopping QPSK impulse signal transmission for ultra wideband communication
system in the presence of multipath channel.