РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 4, с. 397-404
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.37/39:534
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ КОНВОЛЬВЕРОВ
НА СНИЖЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ АСИНХРОННОГО РАДИОПРИЕМА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ © 2014 г. Ю. Б. Синдлер1, В. В. Проклов2, |В. И. Григорьевский]2, О. А. Бышевский-Конопко2,
В. Н. Курский1, Е. М. Кораблев2
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 125009 Москва, ул. Моховая, 11. корп. 7 2Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 141190 Фрязино, Московской обл, пл. Введенского, 1 E-mail: byshevski@ms.ire.rssi.ru Поступила в редакцию 07.12.2011 г.
Предложен метод сравнения помехоустойчивости асинхронного радиоприема широкополосных сигналов при использовании конвольвера на поверхностных акустических волнах, разработанного по существующей в России акустоэлектронной технологии, с помехоустойчивостью идеального корреляционного радиоприемника. Метод продемонстрирован на примере оценивания снижения помехоустойчивости радиоприема вследствие отражений акустических волн от встречно-штыревых преобразователей и неровностей звукопровода.
DOI: 10.7868/S003384941404010X
ВВЕДЕНИЕ
Работа посвящена проблеме применения и развития теории потенциальной помехоустойчивости В.А. Котельникова [1, 2] в направлении оптимизации электронной элементной базы радиоприемников, которая является продолжением исследований [3]. В указанной работе рассмотрены вопросы оптимизации по критерию помехоустойчивости конвольверов на поверхностных акустических волнах (ПАВ), предназначенных для использования в системах сотовой связи CDMA в режиме траффика. Важной особенностью использования ПАВ-конвольверов для корреляционной обработки широкополосных сигналов (ШПС) в режиме траффика является упрощение технических требований к точности синхронизации по сравнению с техническими требованиями к точности синхронизации, предъявляемыми к системам сотовой связи на базе цифровой микроэлектроники.
В данной работе исследуются вопросы, связанные с оптимизацией электронной элементной базы радиоприемника с позиций качества процесса установления радиосоединения. Сложность точного решения оптимизационной задачи состоит в том, что радиоприем ШПС проводится в асинхронном режиме, когда поступающий на решающее устройство выходной сигнал конволь-вера представляет собой не дискретный отсчет, а
непрерывную временную функцию большой длительности, наблюдаемую на выходе конвольвера при прогоне опорного сигнала конвольвера по всей длине звукопровода.
В первом разделе статьи рассматривается вопрос выбора и обоснования такой маломерной решающей статистики, при использовании которой снижение помехоустойчивости асинхронного радиоприема ШПС будет несущественным по сравнению с оптимальным приемником.
Отметим, что исследование степени приближения помехоустойчивости к своему потенциальному значению предполагается проводить раздельно по каждому из видов технологических несовершенств ПАВ-конвольвера, связанных с различными вредными физическими эффектами:
1) с отражением акустических волн от ВШП и неоднородностей звукопровода;
2) с эффектом "самосвертки", при котором на текущем интервале корреляционной обработки проявляются сигналы от предыдущего интервала;
3) с эффектом ослабления выходного сигнала ПАВ-конвольвера, связанным с малой величиной билинейного коэффициента материала подложки ПАВ-конвольвера.
В данной работе ограничимся исследованием первого вида несовершенств.
1. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ АКУСТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ РАДИОПРИЕМНИКОВ ПО КРИТЕРИЮ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ
В данном разделе будут сформулированы принятые в статье принципы оптимизации технологии конвольверов на ПАВ, предназначенных для асинхронного радиоприема ШПС.
На каждом этапе развития электронной технологии одной из важных задач методологии оптимизации элементной базы радиоприемника является задача оценивания вклада факторов, не позволяющих помехоустойчивости радиоприемника приблизиться к потенциально достижимой величине.
В работе [3] были рассмотрены три особенности технологии радиоприемника, использующего конвольверы на ПАВ:
а) конструктивные особенности ВШП,
б) отражения акустических волн от ВШП и других неоднородностей звукопровода,
в) физико-химические свойства материала звукопровода, от которых зависит степень ослабления сигнала в ПАВ-конвольвере.
Варьируемым при решении оптимизационной задачи объектом в [3] был алгоритм выработки информационного решения по наблюдаемому на выходе ПАВ-конвольвера значению выходного сигнала F3(t) во временной точке г = 0. Это было основано на предположении, что в радиоприемнике имеется вспомогательная система, осуществляющая точную синхронизацию передатчика и приемника.
Заметим, что проблема синхронизации играет важную роль в современных системах радиосвязи и может оказывать существенное негативное влияние на качество передачи информации [4].
Важной особенностью конвольверов на ПАВ является способ приема информации в асинхронном режиме, когда момент времени прихода ожидаемого сигнала известен неточно, а в широком классе условий радиоприема вообще неизвестен. Корреляционный радиоприем методом встречных акустических волн в таких условиях позволяет создать устойчивую к ошибкам синхронизации систему связи.
В общем случае при точной синхронизации достаточной решающей статистикой выходного сигнала является двумерное значение выходного сигнала.
Г3( 0) = 0) + ДшГ3( 0).
Асинхронный радиоприем соответствует случаю многомерной решающей статистики, так как для выработки оптимального информационного решения необходимо учитывать всю функцию F3(t) на интервале наблюдения: от момента входа
опорного сигнала в интегрирующий электрод (ИЭ) до достижения опорным сигналом противоположного конца ИЭ. Но оптимальная обработка всей функции F3(t) в реальном времени трудновыполнима. Поэтому был предпринят поиск таких маломерных решающих статистик, для которых результаты решения оптимизационной задачи давали хотя бы на гауссовских моделях оптимизационные аналитические решения при многомерной решающей статистике, близкие по помехоустойчивости к помехоустойчивости приемника при маломерной решающей статистике.
Под терминами "многомерная и маломерная решающие статистики" подразумеваются способы принятия решения о наличии или отсутствии сигнала по максимально возможному или существенно ограниченному числу временных выборок выходного сигнала. Под термином "оптимальная обработка всей функции" имеется в виду способ принятия решений, приводящий к минимальной ошибке обнаружения сигнала.
А. Аппроксимационная гауссовская модель въходного сигнала ПАВ-коррелятора для сравнения помехоустойчивости радиоприема синхросигнала при оптимальной многомерной и близкой к ней по помехоустойчивости одномерной решающих статистиках
В данной работе принята следующая дискретная идеализированная математическая модель гауссовского характера. Имеется К временных точек = г1,...,гК, равноотстоящих друг от друга на величину At, равную 1/6... 1/2 от длительности элемента ШПС с базой ВТ (примем условие А г < 1/2В). При отсутствии сигнала (гипотеза Н0) амплитуда наблюдаемого выходного сигнала гI в К точках подчиняется рэлеевскому закону распределения вероятностей:
% (г\Н0) = ^ехр
а
2 Л
2а2
(1)
Наблюдаемый выходной сигнал в данном случае представляет собой модуль комплексной огибающей узкополосного процесса.
При наличии сигнала (гипотеза Н1) амплитуда наблюдаемого сигнала в одной точке tq (равновероятно для любой из К точек) подчиняется обобщенному рэлеевскому распределению, иногда называемому в литературе распределением Рэ-лея—Райса:
% (дН )=т31 ехр 2а
^ 2 , лЛ
Гд + А
2а2
10
АГд
(2)
где 10 (г) — функция Бесселя от мнимого аргумента. В остальных К - 1 точках амплитуда наблюдаемого
сигнала подчиняется закону (1). Здесь параметр А характеризует амплитуду автокорреляционного пика сигнала, а параметр а — среднеквадратичное отклонение наблюдаемого выходного шума. Величину 20^ (А/ а) будем называть отношением сигнал/шум (ОСШ) на выходе приемника. При известных параметрах А и а оптимальный алгоритм различения гипотез о наличии или отсутствии сигнала по наблюдаемому вектору отсчетов выходного сигнала г1,...,гк состоит в операции вычисления отношения правдоподобия, обозначаемого символом Ь, и в сравнении Ь с некоторым порогом С. Для рассматриваемой задачи отношение правдоподобия равно
..,,)=Н-2АЭДЧА?) (3)
4 х I =1
Методом многократного (порядка 106 и более случайных реализаций) компьютерного моделирования величин q, имитирующих при наличии сигнала (гипотеза Н1) случайные задержки автокорреляционного пика на выходе асинхронного корреляционного радиоприемника, и при каждой реализации задержки q методом имитации ^-мерных векторов тъ..., гк, построены две гистограммы значений отношения правдоподобия Ь: при наличии и отсутствии сигнала. По этим гистограммам построена рабочая характеристика оптимального приемника, пример которой представлен на рис. 1 для случая асинхронного радиоприема ШПС с базой ВТ = 256. Здесь а — вероятность того, что при отсутствии сигнала принимается решение о его присутствии, в — вероятность пропуска сигнала. В этом примере А = 10, ст = 2.
Реализация радиоприемника с решающим устройством, осуществляющим после каждого прохождения опорного звукового сигнала вдоль звукопровода конвольвера операцию вычисления отношения правдоподобия Ь, практически невозможна.
Поиск возможных решающих устройств, вполне реализуемых в отношении сложности исполнения и имеющих рабочие характеристики обнаружения, близкие к рабочим характеристикам оптимального приемника, показал, что данным условиям удовлетворяет одномерная решающая статистика — максимальная амплитуда выходного сигнала конвольвера гмакс. При моделировании величина гмакс определяется как максимальное значение из компонент вектора г1,..., гк. Рабочая характеристика обнаружения, полученная при моделировании в случае использования в качестве решающей статистики максимальной амплит
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.