Стенд полунатурного моделирования асинхронных радиосистем передачи информации

Полный текст

Введение

При разработке асинхронных радиосистем передачи информации одним из необходимых этапов является проведение натурных испытаний изделий, в ходе которых в зависимости от сложности испытываемых средств, условий и объемов испытаний могут потребовать значимые временные и материальные затраты. Одним из методов, позволяющих сократить указанные затраты, является создание стенда полунатурного моделирования. Такой стенд позволяет учитывать свойства радиоволн и особенности их распространения, а также параметры помех, воздействующих на радиоприемный тракт средств радиосистем. Создание стенда полунатурного моделирования требует формирования перечня моделей, учитывающих сложные условия распространения радиоволн, возникающие для средств радиосистем, находящихся в различных средах. Среди таких моделей следует особенно отметить:

• модели распространения радиоволн над морской поверхностью [14–16; 18];
• модели отражения радиоволн от вращающихся винтов вертолета [7–11];
• модели распространения радиоволн в городской местности [19–23];
• модели отражения радиоволн от турбин самолета [12; 13];
• модели распространения радиоволн над земной поверхностью, включая лесную [17; 24–28].

Разработка стенда полунатурного моделирования асинхронных радиотехнических систем передачи информации с возможностью формирования различных видов помех и моделированием условий распространения (отражение, интерференция, дифракция, рефракция) радиоволн является актуальной задачей, так как обеспечит снижение затрат на этапе «разработки». Такой стенд позволяет своевременно и оперативно выявить и устранить недостатки на этапе «разработки». Асинхронные радиотехнические системы передачи информации взаимодействуют через запросные и ответные каналы, отличающиеся типами передаваемой информации, методами разделения абонентов, видами модуляции и др. В данной работе, ввиду ограничений на объем материалов, будет рассмотрен только вопрос разработки математического описания запросного канала стенда полунатурного моделирования.

Цель работы заключается в разработке математического описания запросного канала стенда полунатурного моделирования, формирующего сигнально-помеховую обстановку, которая учитывает свойства распространения радиоволн, а также воздействия различных видов помех.

Задачами разрабатываемого стенда полунатурного моделирования являются:

• формирование внутрисистемного потока сигналов для запросного и ответного каналов связи с заданными вероятностями распределения амплитудных и временных параметров;
• моделирование условий распространения радиоволн запросного и ответного каналов;
• формирование преднамеренных помех с заданными распределениями амплитуд и фаз для обоих каналов.

Учитывая поставленные перед стендом задачи, на первом этапе его создания необходимо разработать математическую модель условий, воспроизводимых стендом.

Математическая модель запросного канала стенда полунатурного моделирования асинхронных радиосистем передачи информации

Сигнально-помеховая обстановка запросного канала характеризуется внутрисистемным потоком и преднамеренными помехами.

Внутрисистемный поток (ВСП) представляет собой имитацию работы комплекса разрабатываемых асинхронных радиосистем передачи информации. Это выявит возможность работы одной радиосистемы при функционировании их множества в одном радиоканале.

Преднамеренные помехи представляют собой разнообразие возможных помех, воздействующих на разрабатываемую систему в радиоканале, таких как ХИП – хаотическая импульсная помеха, шумовая помеха и др.

1. Для решения задачи формирования внутрисистемного потока запросных сигналов распишем комплексную огибающую запросного сигнала для непрерывного времени (1):

$\dot{U}\left(t\right)=A\left(t\right)S\left(t\right)e^{j\phi \left(t\right)},$ (1)

где A(t) – информационная часть запросного сигнала с фиксированной амплитудой; S(t) – изменяющаяся амплитуда запросного сигнала; $\mathrm{\phi }\left(t\right)$ – фаза запросного сигнала.

Представим информационную часть запросного сигнала в дискретном времени:

$a\left[nT\right]=\sum _{n=0}^{N_{зс}}A\left[nT\right],$ (2)

где Т – период дискретизации; $N_{зс}$ – количество отсчетов в одном запросном сигнале; n – номер отсчета. Тогда комплексная огибающая запросного сигнала в дискретном времени записывается в виде

${\dot{U}}_i\left[nT\right]=S_{Ai}\left[nT\right]e^{j{\phi }_i\left[nT\right]}{A}_i\left[nT\right]=$ (3)

$=(S_i\left[nT\right]\cos \left({\phi }_i\left[nT\right]\right)+j{S}_i\text{sin}\left({\phi }_i\left[nT\right]\right))A_i\left[nT\right],$

где i – номер запросного сигнала в потоке; $S_{Ai}\left[nT\right]$ – случайная амплитуда запросного сигнала; ${\phi }_i\left[nT\right]$ – случайная фаза запросного сигнала.

Распишем комплексную амплитуду суммы запросных сигналов для каждого временного отсчета n (4):

$\dot{U}\left[nT\right]=\sum _{i=1}^M{\dot{U}}_i\left[\left(n+k_i\right)T\right]=$ (4)

$=\sum _{i=0}^M{S}_i\left[\left(n+k_i\right)T\right]\cos \left({\phi }_i\left[\left(n+k_i\right)T\right]\right)A_i\left[\left(n+k_i\right)T\right]+$

$+j\sum _{i=0}^M{S}_i\left[\left(n+k_i\right)T\right]\sin \left({\phi }_i\left[\left(n+k_i\right)T\right]\right)A_i\left[\left(n+k_i\right)T\right],$

где M – количество складываемых потоков запросных сигналов; k_i – временная задержка i-го запросного сигнала.

В результате внутрисистемный поток запросных сигналов описывается следующим выражением (5):

${\dot{U}}_{\text{Σ}}\left[nT\right]=\sum _{n=0}^{\infty }\sum _{i=1}^M{\dot{U}}_i\left[\left(n+k_i\right)T\right],$ (5)

Для формирования внутрисистемного потока запросных сигналов согласно выражению (5) разработана схема, представленная на рис. 1. Данная схема позволяет синтезировать внутрисистемный поток с требуемыми характеристиками распределений амплитуд и времен формирования запросных сигналов.

 

Рис. 1. Схема формирования внутрисистемного потока запросных сигналов

Fig. 1. The scheme of formation of the in-system flow of request signals

 

Наименование и назначение представленных на схеме (рис. 1) устройств и блоков:

1. ГПСЧ – генераторы псевдослучайных чисел. В основе предлагаемого стенда полунатурного моделирования и математических моделей используются генераторы псевдослучайных чисел (ГПСЧ) на основе дискретно-нелинейных систем с хаотической динамикой, а также традиционные генераторы на основе ГОСТ Р ИСО 28640 – 2012. Подробный анализ и формирование указанных псевдослучайных последовательностей представлены в работах [1–6];
2. Блоки преобразования распределения U/exp формируют распределение из ГПСЧ в экспоненциальное временное распределение интервалов между сигналами, вместо данного преобразования при проектировании реальных стендов возможно использование и других типов преобразований;
3. УФИП – устройство формирования импульсных последовательностей. Предназначено для определения режима работы «кодера/декодера информации» с триггером запуска от предыдущего блока;
4. Кодер/декодер информации – шифрующее/дешифрующее устройство, формирующее запросный сигнал;
5. АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
6. Преобразователь распределения U/R формирует распределение из ГПСЧ в заданное амплитудное распределение сигналов, например в распределение Рэлея и Райса [1];
7. Блок модуляции амплитуды предназначен для формирования амплитудного распределения и формирования I/Q-составляющей [29; 30];
8. Блоки $\sin \left(\mathrm{\phi }\right),$ $\cos \left(\mathrm{\phi }\right)$ и умножители совместно блоками ГПСЧ формируют случайную фазу внутрисистемного потока.

Моделирование условий распространения радиоволн осуществляется в цифровом виде после аналого-цифрового преобразователя запросного сигнала от базового средства радосистемы. Это позволяет использовать готовые модели распространения радиоволн, описанных во введении.

2. Для решения задачи формирования импульсных помех, представим комплексную огибающую суммарной помехи для каждого временного отсчета (6):

$\dot{W}\left[nT\right]=\sum _{n=0}^{\infty }\sum _{l=1}^{M_n}{\dot{W}}_l\left[\right(n+k_l\left)T\right]=$ (6)

$=\sum _{n=0}^{\infty }\sum _{l=1}^{M_n}{B}_l\left[\left(n+k_l\right)T\right]V_l\left[nT\right]e^{j{\phi }_l\left[(n+{\kappa }_l)T\right]},$

где V_l[nT] – множитель, учитывающий амплитуды помехи; B_l[nT] – закон изменения информационной составляющей помехи; Т – период дискретизации; n – номер отсчета; M_n – количество помех; k_l – временная задержка l-й помехи.

Согласно выражению (6) разработана схема формирователя преднамеренных помех, представленная на рис. 2.

 

Рис. 2. Формирователь преднамеренных помех, где УФЦП – устройство формирования цифровых последовательностей

Fig. 2. Intentional interference generator where УФЦП is a digital sequence generation device

 

На рис. 2 отличие блока УФЦП от УФИП, реализованного в формирователе внутрисистемного потока (см. рис. 1), в том, что данный блок формирует заданную структуру помехи в цифровом виде.

Общее выражение для математической модели запросного канала стенда полунатурного моделирования асинхронных радиосистем передачи информации представляется в виде

$y\left(t\right)={\int }_0^{\tau }h\left(t\right)x\left(t-\tau \right)d\tau +U_{\Sigma }\left(t\right)+W\left(t\right),$ (7)

где h(t) – импульсная характеристика радиоканала; x(t) – основной запросный сигнал системы от базового моделируемого средства; $U_{\Sigma }\left(t\right)$ – суммарный внутрисистемный поток в запросном канале; W(t) – преднамеренные помехи.

Представим выражение 7 в дискретном виде:

$\dot{y}\left[n\dot{T}\right]=\sum _{n=0}^{\infty }\underset{k=0}{\overset{N_c}{[\sum }}h\left[nT\right]x\left[(n-k)T\right]+$ (8)

$+\sum _{i=1}^M{\dot{U}}_i\left[\left(n+k_i\right)T\right]+\sum _{l=1}^{M_n}{\dot{W}}_l\left[\right(n+k_l\left)T\right]],$

где Т – период дискретизации; h[kT] – дискретизированная импульсная характеристика радиоканала; x[nT] –дискретизированный запросный сигнал; U[nT] – дискретизированная последовательность ВСП ЗС; В[nT], V[nT] – дискретизированная последовательность преднамеренной помехи.

Заключение

Таким образом, в результате анализа задач, стоящих перед стендом полунатурного моделирования условий функционирования запросного канала асинхронных радиотехнических систем передачи информации разработана математическая модель составной части стенда. Представленная модель позволяет воспроизводить условия функционирования асинхронных радиотехнических систем, включая внутрисистемные, преднамеренные помехи и условия распространения радиоволн в запросном канале. На основе приведенных выражений может быть сформировано описание ответного канала стенда полунатурного моделирования, что позволяет приступить к синтезу его структуры на основе современных программноопределяемых средств вычислительной техники и измерений.

Об авторах

Юрий Рудольфович Буткевич

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: bytkevic@mail.ru

аспирант кафедры электронных и квантовых средств передачи информации 

Россия, 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10

Сергей Сергеевич Логинов

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ

Email: sslogin@mail.ru

доктор технических наук, профессор кафедры электронных и квантовых средств передачи информации 

Россия, 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10

Раушан Разапович Яруллин

АО «НПО “Радиоэлектроника” имени В.И. Шимко»

Email: shimko@rosprom.org

главный конструктор по системным вопросам 

Россия, 420029, г. Казань, ул. Журналистов, 50/3

Список литературы

Дополнительные файлы