Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

НОВЫЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЕ СИГНАЛЫ ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КАНАЛА ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Волынская А.В. 1 Калинин П.М. 1
1 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения»
Приведены новые, найденные путем математического моделирования, псевдослучайные кодовые последовательности с квазиидеальной автокорреляционной функцией, длина которых значительно больше тринадцати. Ослабив требования к величине отрицательных пиков автокорреляционной функции, удалось найти еще десять сигналов, у которых отношение высоты главного пика автокорреляционной функции к положительным боковым равно длине последовательности (как и у сигналов Баркера). Так, у сигнала длиной сто двадцать один элемент это отношение равно ста двадцати одиному, в сравнении с тринадцатью. В программной среде LabVIEW проведено исследование помехоустойчивости новых последовательностей. Сигналы систем автоматики, телемеханики и связи, сформированные в соответствии с найденными последовательностями, могут быть надежно выделены из помех, во много раз более мощных, чем сами сигналы. Такие сигналы могут одинаково успешно применять и для передачи команд, и для надежной синхронизации.
надежность
помехоустойчивость
широкополосные сигналы
коды Баркера
1. Волынская А.В. Результаты математического моделирования процесса поиска кодовых последовательностей с заданными корреляционными свойствами // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения: Науч.-техн. журнал. – Екатеринбург: УрГУПС, 2009. – № 3–4. – С. 64–71.
2. Волынская А.В. Сигналы Баркера-Волынской // Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения: материалы 3-ей Российской конф. с международным участием. – М.: Институт проблем управления имени В.А. Трапезникова РАН, 2012. – С. 649–655.
3. Волынская А.В., Сергеев Б.С. Моделирование метода весового накопления сигнала для сетей передачи информации транспорта // Электроника и электрооборудование транспорта. – М., 2008. – № 3. – С. 2–6.
4. Волынская А.В., Сергеев Б.С. Предпосылки применения псевдослучайных сигналов-переносчиков в каналах телемеханики железнодорожного транспорта // Транспорт: наука, техника, управление: Научный информационный сборник РАН ВИНИТИ, 2011. – Вып. 6. – С. 39–41.
5. Ли И., Читем Т., Виснер Дж. Применение корреляционного анализа для обнаружения периодических сигналов в шуме // Теория информации и ее приложения; под ред. А.А. Харкевича. – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. – С. 138–158.
6. Питерсон В., Бердсал Т., Фокс В. Теория обнаружения сигналов // Теория информации и ее приложения: под ред. А.А. Харкевича. – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. – С. 210–275.
7. Barker R.H. Group synchronizing of binary digital system // Communication theory. – London, 1953. – 273 p.

В каналах телемеханики решается или задача обнаружения сигнала, или задача различения сигналов, которую можно рассматривать как частный случай задачи обнаружения. Для решения этих задач оптимальным образом следует применять корреляционный прием. Корреляционный прием тем эффективней, чем сложнее полезный сигнал [5, 6]. Но не все сложные сигналы одинаково эффективны для решения задачи обнаружения. Наилучшими являются те, у которых отношение N главного пика функции автокорреляции (АКФ) к боковым – наибольшее. Такие сигналы (двоичные последовательности) известны и широко применяются, их называют сигналы (коды) Баркера [7]. Сигналов Баркера всего 7, самый сложный из них состоит из 13 символов и имеет отношение высоты главного пика АКФ к боковым N = 13. Это свойство позволяет надежно обнаруживать такой сигнал при отношениях сигнал/помеха С/П < 1. Однако в наиболее «тяжелых» (в смысле помехоустойчивости) каналах, например, каналах телемеханики электрифицированного железнодорожного транспорта даже сигналы Баркера не обеспечивают требуемой надежности их обнаружения.

Нами найдены сигналы, обладающие большим, чем у сигналов Баркера отношением N [2]. Способы поиска таких последовательностей описаны авторами в работе [1]. Один из способов основан на комбинировании сигналов Баркера. В качестве «материнской» последовательности берется последовательность Баркера, а затем каждый элемент материнской последовательности заменяется прямой или инверсной «дочерней» последовательностью Баркера же, в зависимости от того, ноль или единица в материнской последовательности.

Из 38 возможных парных комбинаций материнских и дочерних последовательностей нашему требованию удовлетворяют только 10 последовательностей:

3×4,1; 3×3; 3×7; 3×11; 7×3; 7×7; 7×11; 11×3; 11×7; 11×11,

где первое число – материнская последовательность второе число – дочерняя последовательность. Например, для последовательности 3×7 материнская последовательность – 1 1 0, а дочерняя – 1 1 1 0 0 1 0, тогда новая последовательность имеет вид:

Eqn14.wmf

На рис. 1–3 приведены АКФ новых сигналов. Видим, что 9 из них построены только из комбинаций 3, 7 и 11. АКФ сигнала 3×4,1 приведена отдельно на рис. 4, поскольку она выпадает из общей закономерности.

pic_27.tif pic_28.tif pic_29.tif

Рис. 1. АКФ сигналов 3×3; 3×7; 3×11

pic_30.tif pic_31.tif pic_32.tif

Рис. 2. АКФ сигналов 7×3; 7×7; 7×11

pic_33.tif pic_34.tif pic_35.tif

Рис. 3. АКФ сигналов 11×3; 11×7; 11×11

pic_36.tif

Рис. 4. АКФ сигнала 3×4,1

Для сравнения на рис. 5 приведены примеры неудачных комбинаций материнских и дочерних последовательностей.

Помехи снижают главный пик корреляционной функции и поднимают боковые пики, поэтому чем больше отношение высоты главного пика АКФ к боковым, тем выше вероятность правильного приема сигналов. Если сравнить это отношение у сигнала Баркера 13 с сигналом Баркера‒Волынской 11×11, то видим, что оно в 121/13 = 9,308… раз больше.

pic_37.tif pic_38.tif

Рис. 5. АКФ неудачных сигналов

Авторами проведено исследование помехоустойчивости новых сигналов путем моделирования в программной среде LabVIEW. Результаты приведены на следующих рисунках.

pic_39.tif

Рис. 6. 11-ти элементный сигнал Баркера и его АКФ

pic_40.tif

Рис. 7. Сигнал Баркера‒Волынской 11×11 и его АКФ

pic_41.tif

Рис. 8. 11-ти элементный сигнал Баркера + помеха (С/П = 1/14) и функция взаимной корреляции (ФВК)

pic_42.tif

Рис. 9. 11-ти элементный сигнал Баркера + помеха (С/П = 1/19) и функция взаимной корреляции (ФВК)

pic_43.tif

Рис. 10. Сигнал Баркера‒Волынской 11×11 + помеха (С/П = 1/19) и ФВК

pic_44.tif

Рис. 11. Сигнал Баркера‒Волынской 11×11 + помеха (С/П = 1/43) и ФВК

Выводы

Видим (рис. 9), что при отношении С/П = 1/19 сигнал Баркера 11 не обнаруживается, т.к. главный пик ФВК соизмерим с боковыми. Кроме того, это может привести к «ложной тревоге».

Сигнал Баркера‒Волынской при этом же отношении С/П надежно обнаруживается, т.к. главный пик ФВК существенно превышает боковые (рис. 10).

Обнаружение нового сигнала становится затруднительным только при отношении С/П = 1/43.

Сигналы систем автоматики, телемеханики и связи, сформированные в соответствии с найденными последовательностями, могут быть надежно выделены из помех, во много раз более мощных, чем сами сигналы [3]. Такие сигналы могут одинаково успешно применяться и для передачи команд, и для надежной синхронизации [4].

Рецензенты:

Сергеев Б.С., д.т.н., профессор кафедры «Электрические машины» Уральского государственного университета путей сообщения (УрГУПС), г. Екатеринбург;

Иванов В.Э., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технологии и средства связи» Института радиоэлектроники и информационных технологий Уральского федерального университета (УрФУ), г. Екатеринбург.

Работа поступила в редакцию 01.10.2012.


Библиографическая ссылка

Волынская А.В., Калинин П.М. НОВЫЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЕ СИГНАЛЫ ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КАНАЛА ТЕЛЕМЕХАНИКИ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11-4. – С. 922-926;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30684 (дата обращения: 18.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252