• Регистрация
IgorKashkin
IgorKashkin+13.19
н/д
  • Написать
  • Подписаться

Имитационное моделирование устройства корреляционного приема и анализа параметров сверхширокополосных сигналов

Интенсивные разработки устройств сверхширокополосной (СШП) радиоэлектроники велись с середины 1970-х годов, однако их практическая реализация стала возможной только после достижения соответствующего уровня технологии генерации мощных сверхкоротких импульсов с практически неограниченным ресурсом, с высокой стабильностью и большой частотой повторения (лавинно-пролетные транзисторы, диоды с накоплением заряда) и технологии скоростной цифровой обработки больших массивов информации (ОЗУ, ПЛИС, высокоскоростные АЦП).

Сложность работы с СШС заключается в том, что для них неприменимы традиционные методы генерации, излучения, приема и обработки сигналов, соответствующие технические средства, основанные на преобразовании Фурье, использовании резонансных свойств элементов и устройств. В последние годы СШС успешно применяются в различных областях науки и техники.
Более того, сегодня сверхширокополосные технологии продолжают бурное и стремительное развитие, о чем свидетельствует как постоянно увеличивающееся количество публикаций, так и продвижение на рынок соответствующих технических изделий и средств.

Важно также отметить, что СШС могут иметь не только искусственное происхождение. Оказывается, многие процессы в природе обладают сверхшироким спектром, а потому для их исследования и описания тоже могут быть полезны методы, применяемые для анализа СШС.

Проектирование имитационной модели устройства корреляционного анализа подразумевает под собой проектирование системы генерации сигнала, канала связи, корреляционного приемника, а также средств анализа полученных результатов. На рисунке 1 представлен общий вид имитационной модели устройства корреляционного анализа.

Рисунок 1 - Общий вид имитационной модели

Рисунок 1 - Общий вид имитационной модели

 

Представленная на рисунке 1 имитационная модель состоит из трех главных виртуальных подсистем (ВП):

         - генератор СШС, осуществляющий генерацию хаотического сигнала (ХС) заданной мощности и частоты;

         - линия связи, имитирующая прохождение ХС через непрерывный канал связи;

         - корреляционный приемник, осуществляющий прием, обработку и анализ принятого сигнала.

         Рассмотрим имеющиеся ВП более подробно.

 

Генератор СШС
Структурная схема генератора представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 - Структурная схема генератора СШС

Рисунок 2 - Структурная схема генератора СШС

 

Рассмотрим более подробно блоки, входящие в состав ВП генератора СШС:

         - Random Source Generator – данный блок является генератором ХС;

         - Gain – данный блок усиливает сигнал до требуемых значений;

         - Variance – данный блок вычисляет дисперсию входных значений, то есть производит вычисление средней мощности сигнала.

В момент запуска модели, генератор СШС имеет на своем выходе ХС, мощность и осциллограмма которого представлена на рисунках 3 и 4 соответственно.

 

Рисунок 3 - Мощность генерируемого СШС (ГСШС)

Рисунок 3 - Мощность генерируемого СШС (ГСШС)

 

Рисунок 4 - Осциллограмма генерируемого ХС

Рисунок 4 - Осциллограмма генерируемого ХС

 

С выхода генератора СШС, ХС поступает на вход ВП канала связи.

 

Канал связи

 

Структурная схема канала связи представлена на рисунке 5.

 

Рисунок 5 - Структурная схема канала связи

Рисунок 5 - Структурная схема канала связи

 

Рассмотрим более подробно блоки, входящие в состав ВП канала связи:

- Random Source Generator – данный блок является генератором шума;

- Delay – данный блок задерживает сигнал на требуемое количество отсчетов. В модели данный блок осуществляет задержку входного ХС на 15 отсчетов;

- Add – данный блок в модели добавляет шум к входному сигналу;

- Gain – данный блок в модели усиливает сигнал до требуемых значений;

- Variance – данный блок в модели вычисляет дисперсию входных значений, то есть производит вычисление средней мощности сигнала.

Осциллограмма, отображающая сравнение эталонного сигнала из генератора СШС и пройденного ХС через линию связи представлена на рисунке 6. Мощность сигнала при прохождении через канал связи представлена на рисунке 7.

 

Рисунок 6 - Осциллограмма сравнения сигналов

Рисунок 6 - Осциллограмма сравнения сигналов.

 

Рисунок 7 - Мощность сигнала при прохождении через линию связи

Рисунок 7 - Мощность сигнала при прохождении через линию связи

 

На выходе канала связи наблюдается смесь ХС с генерируемым шумом, который воздействует на сигналы в реальных системах. В процессе прохождения канала связи сигнал получает требуемое значение задержки отсчетов, равное 15 отсчетам, относительно эталонного сигнала из генератора СШС. После прохождения канала связи, ХС поступает в ВП корреляционного приемника, где происходит дальнейшая обработка и анализ.

 

Корреляционный приемник

 

ВП корреляционного приемника состоит из следующих ВП:

- АЦП;

- Коррелятор;

- Обнаружитель;

- Нормировка;

- Модуль верификации.

- Поиск индекса линии задержки

Общий вид структурной схемы ВП корреляционного приемника представлен на рисунке 8.

 

Рисунок 8 - Структурная схема ВП корреляционного приемника

Рисунок 8 - Структурная схема ВП корреляционного приемника

 

Рассмотрим каждую из ВП корреляционного приемника более подробно.

 

АЦП

 

Структурная схема ВП АЦП представлена на рисунке 9.

 

Рисунок 9 - Структурная схема ВП АЦП

Рисунок 9 - Структурная схема ВП АЦП

 

Рассмотрим более подробно блоки, входящие в состав ВП АЦП[14]:

- Zero-Order Hold – данный блок осуществляет дискретизацию входного сигнала по времени;

- Quantizer – данный блок осуществляет квантование входного сигнала по уровню.

Данная ВП позволяет выполнить имитационное моделирование АЦП и проанализировать как изменится сигнал при прохождении через него. На рисунке 10 представлена осциллограмма, на которой видно сравнение сигнала до и после АЦП. Исходя из идентичности осциллограмм, можно сделать вывод о том, что процесс аналого-цифрового преобразования был выполнен корректно.

 

Рисунок 10 - Осциллограмма сравнения до и после АЦП

Рисунок 10 - Осциллограмма сравнения до и после АЦП

 

После ВП АЦП цифровой сигнал поступает в следующие ВП для дальнейшей обработки и анализа:

- Коррелятора;

- Нормировки;

- Модуля верификации.

 

Коррелятор

 

         Структурная схема ВП коррелятора представлена на рисунке 11.

 

Рисунок 11 - Структурная схема ВП коррелятора

Рисунок 11 - Структурная схема ВП коррелятора

 

Рассмотрим более подробно блоки, входящие в состав ВП коррелятора:

- Tapped Delay – блок, позволяющий реализовать различные виды значений задержки входного сигнала;

- Product - блок, выполняющий матричное или же поэлементное умножение. В модели данный блок будет являться частью коррелятора и осуществлять поэлементное умножение отсчетов эталонного сигнала с принятым сигналом;

- Cumulative Sum – этот блок является частью коррелятора и выполняет суммирование с накоплением, которое является эквивалентным интегратору в аналоговых устройствах.

         ВП коррелятора осуществляет вычисление значений корреляционной функции для принятого и эталонного сигнала. Вычисления проводятся параллельно для 100 линий задержки длинной в 1000 значений. На выходе ВП коррелятора формируется матрица 1000х100, которая поступает в последующие функциональные блоки системы. Для оценки результатов работы ВП коррелятора был использован блок Array Plot, позволяющий просматривать графики входных многомерных массивов значений. График полученной корреляционной функции представлен на рисунке 12.

 

Рисунок 12 - График корреляционной функции, полученный ВП коррелятора+

Рисунок 12 - График корреляционной функции, полученный ВП коррелятора

 

Анализируя полученный график, можно сделать вывод о том, что вычисление значений корреляционной функции выполняется корректно, так как пик корреляционной функции ярко выражен при прохождении сигнала через 15 линию задержки.

После вычисления значений корреляционной функции полученный многомерный массив данных поступает на ВП обнаружителя и нормировки.

 

Обнаружитель

 

Структурная схема ВП обнаружителя представлена на рисунке 13.

 

Рисунок 13 - Структурная схема ВП обнаружителя

Рисунок 13 - Структурная схема ВП обнаружителя

 

Рассмотрим более подробно блоки, входящие в состав ВП обнаружителя[14]:

- Max – блок, являющийся частью ВП обнаружителя и выполняющий поиск максимального значения принятого многомерного массива из коррелятора;

- Standard Deviation – блок, определяющий дисперсию сигнала из коррелятора;

- Gain – блок, осуществляющий деление максимальных значений входного массива с коррелятора на значение блока Alpha;

- Add – блок, осуществляющий операцию вычитания пика ВКФ, нормированных по коэффициенту Alpha, из значений дисперсии сигнала из коррелятора;

- Divide – блок, осуществляющий деление мощности всего сигнала на мощность шума, то есть мощность каналов, в которых отсутствует пик ВКФ;

- Fcn – блок, реализующий пользовательскую функцию.

- Math Function – блок, реализующий математическую операцию возведения в степень;

- Constant (Alpha) – блок, определяющий допустимую вероятность ложной тревоги;

- Constant (M) – блок, определяющий количество каналов коррелятора;

- Divide – блок, реализующий операцию деления значения блока Alpha на значение М.

Принцип работы ВП обнаружителя описывается следующим образом. Одним из наиболее важный свойств оптимального приемника (коррелятора или согласованного фильтра) является вероятность правильного обнаружения сигнала PR, которая задается следующим выражением:

Выражение 14 - Вероятность правильного обнаружения сигнала

 

 Вероятность ложной тревоги alpha необходимо выбирать с учетом роста данной вероятности из-за увеличения количества каналов в корреляторе, что описывается следующим выражением:

Выражение 15 - Вероятность ложной тревоги

 

Учитывая выражение (15), выражение (14) примет следующий вид:

 

На рисунке 14 представлен результат работы ВП обнаружителя.

 

Рисунок 14 - Результат работы обнаружителя

Рисунок 14 - Результат работы обнаружителя

 

Таким образом, вероятность правильного обнаружения СШС сигнала зависит от количества каналов коррелятора, ОСШ на входе коррелятора и допустимой вероятности ложной тревоги.

 

Нормировка

 

Структура ВП нормировки представлена на рисунке 15.

 

Рисунок 15 - Структурная схема ВП нормировки

Рисунок 15 - Структурная схема ВП нормировки

 

Рассмотрим более подробно блоки, входящие в состав ВП нормировки:

- Variance – блоки, осуществляющие вычисление дисперсии принятого и эталонного сигнала;

- Sqrt – блоки, извлекающие корень из полученного значения дисперсии;

- Constant – блок, содержащий значение количества отсчетов эталонного сигнала.

ВП нормировки основана на следующем алгоритме. Для количественного определения схожести сигналов, используется коэффициент корреляции, описываемый следующим выражением:

Выражение 16 - Коэффициент корреляции

 

         На рисунках 16, 17 и 18 представлен результат работы ВП нормировки.

 

Рисунок 16 - Нормированный график ВКФ

Рисунок 16 - Нормированный график ВКФ

 

Рисунок 17 - Результат работы ВП нормировки

 

Рисунок 18 - Результат работы ВП нормировки

Рисунок 18 - Результат работы ВП нормировки

 

Модуль верификации

 

Структурная схема ВП модуля верификации представлена на рисунке 19.

 

Рисунок 19 - Структурная схема ВП модуля верификации

Рисунок 19 - Структурная схема модуля верификации

 

Рассмотрим блоки, входящие в ВП модуля верификации более подробнее[14]:

         - Buffer – блок, осуществляющий буферизацию входных отсчетов принятого сигнала;

         - Correlation – блок, осуществляющий вычисление ВКФ двух сигналов, основанный на встроенной функции MATLAB – xcorr;

         - Gain – блок, осуществляющий нормировку полученных значений ВКФ;

         - MinMax – блок, осуществляющий поиск пика нормированной ВКФ.

         Данная ВП служит эталонным модулем, позволяющим с помощью графиков ВКФ и количественных значений пика ВКФ проверить работоспособность спроектированной системы. Результатами работы ВП модуля верификации представлены на рисунках 20 и 21.

 

Рисунок  20 - ВКФ ВП модуля верификации

Рисунок 20 - ВКФ ВП модуля верификации

 

Рисунок 21 - Значение пика ВКФ ВП модуля верификации

Рисунок 21 - Значение пика ВКФ ВП модуля верификации

 

Поиск индекса линии задержки

 

Структурная схема ВП поиска индекса линии задержки представлена на рисунке 22.

 

Рисунок 22 - Структурная схема ВП поиска индекса линии задержки

Рисунок 22 - Структурная схема ВП поиска индекса линии задержки

 

Рассмотрим более подробно блоки, используемые в данной ВП:

- Maximum – блок, осуществляющий поиск максимального значения среди поступающего массива столбцов значений и выводящий на свой выход индекс столбца, в котором было найдено максимальное значение ВКФ.

На рисунке 23 изображен результат работы ВП поиска индекса линии задержки.

 

Рисунок 23 - Значения индекса линии задержки

Рисунок 23 - Значение индекса линии задержки

 

По результатам имитационного моделирования корреляционного приемника в среде Simulink, были спроектированы структурно-функциональные блоки реальной системы корреляционного анализа, в последствии реализованной внутри кристалла ПЛИС. Анализируя результаты моделирования всей системы, видно, что разработанная модель выполняет все поставленные перед задачи определения параметров генерируемого СШС, осуществления поиска временной задержки сигнала и расчету ОСШ, а также вычислению пика ВКФ и вероятности детектирования генерируемого СШС. Данная модель является оптимальной для использования в целях исследования других разновидностей СШС, их параметров и методов их обработки.

Файлы

  • Model_18b.slx

Теги

    06.02.2021

    Комментарии

    • maktahver
      maktahver+0.60
      6.02.2021 16:49

      Вот это я понимаю, потенциальный победитель, я считаю.

      • Baron492
        Baron492+0.60
        6.02.2021 22:26

        Однозначно, +++++