МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ИТ-6 «Управление и моделирование систем»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Павлова Н.П.на тему

Разработка программного средствадля оценки параметров широкополосного сигнала

на основе авторегрессионной модели

Руководитель дипломного проекта: Мельников А.О.

Москва, 2014

1

2Типовая структура цифрового приемника

Процедураобнаружения

Процедурасопровождения

Процедурадемодуляции

Грубая оценкаПараметров сигнала

Точная оценкаПараметров сигнала

БитыВходной сигнал

Цель дипломного проектаРазработка и проверка работоспособности процедуры обнаружения ШПС наоснове АР-модели сигнала

Задачи дипломного проекта• Реализовать алгоритм обнаружения ШПС, состоящий из двух этапов. Где на

первом этапе осуществляется только поиск фазы ПСП с помощью алгоритмаDMA. На втором этапе осуществляется оценка частоты несущего колебанияна основе авторегрессионной модели входного сигнала.

• Проверить работоспособность реализованного алгоритма на основеизмерений физического сигнала в системе спутникового позиционированияGPS.

• Провести сравнение производительности разработанного алгоритма истандартного алгоритма на основе коррелятора.

3Постановка задачи

Широкополосный сигнал формируется

путем перемножения гармонического

опорного колебания на псевдослучайную

последовательность.

4

~ X ШПС

ПСП

Формирование ШПС

5

Для ускорения вычисленийкорреляции в алгоритмепараллельного поискаиспользуется процедурабыстрого спектральногопреобразования.

Схема классического коррелятора

6

Целью алгоритма поиска ШПС являетсяобнаружение факта наличия сигнала иполучения грубых оценок фазы ПСП идоплеровского сдвига частоты несущегоколебания для последующего вхождения всинхронизацию с алгоритмом ФАПЧ.

В стандартном алгоритме поискасигнала используется классическая схемакоррелятора.

Стандартная процедурапоиска и сопровождения сигнала

7

Фаза кодаЧастота

Классический поиск происходит вдвумерной области, таким образом,что для каждой пары значений фазы ПСПи частоты доплеровского сдвига несущейнеобходимо получать выход коррелятора.

Оценка параметров ШПС

8

X

Задержка

Коррелятор кода

АР-модель ФАПЧВходной сигнал

В предлагаемом методе поиск осуществляется в два этапа: сначала спомощью алгоритма DMA осуществляется определение фазы ПСП, затемосуществляется оценка частоты на основе АР модели.

Метод поиска ШПС на основе алгоритмаDMA и АР-модели

9

Основной целью этого метода является устранениегармонических колебаний во входном сигнале.

𝑠 𝑡 = 𝐶𝑠 𝑡 𝑒𝑗2𝜋𝑓𝑡

𝑠 𝑡 𝑠 𝑡 − 𝜏 = 𝐶𝑠 𝑡 𝐶𝑠 𝑡 − 𝜏 ∗ 𝑒𝑗2𝜋𝑓𝑡𝑒−𝑗2𝜋𝑓 𝑡−𝜏 = 𝐶𝑛 𝑡 𝑒𝑗2𝜋𝑓𝜏

Алгоритм DMA

10

где 𝑦𝑛 - выход АР модели

𝑥𝑛 - случайное входное воздействие

𝑦𝑛 = 𝑎1𝑦𝑛−1 + 𝑎2𝑦𝑛−2 + 𝑥𝑛

𝐻 𝑧 =1

1 − 𝑎1𝑧−1 − 𝑎2𝑧

−2

𝑟(𝑚)𝑥𝑥=1

(𝑁−1) 𝑘=0

𝑁−1𝑥 𝑘 𝑥(𝑘 − 𝑚)

𝑎1

𝑎2=

𝑟𝑥𝑥 0 + 𝜎𝑛2 𝑟𝑥𝑥 1

𝑟𝑥𝑥∗ 1 𝑟𝑥𝑥 0 + 𝜎𝑛

2

−1𝑟𝑥𝑥 1

𝑟𝑥𝑥 2

Частотный отклик АР модели второго порядка

АР-модель сигнала

11

Преимущества метода:

1. Позволяет улучшить отношение сигнал-шум.

2. Не требует дополнительных отсчетов сигнала.

3. Низкие вычислительные затраты.

БПФx X

Xk

Re

Im

(·)2

(·)2

+ (·)2

|Xk|2

ОБПФ r

|Xk|4(·)2

|Xk|8

Алгоритм оценки АКФ

12

Для обеспечения надежного перехода

ФАПЧ в режим синхронизации

необходимо обеспечить требуемую

точность начальных значений фазы и

частоты.

Структурная схема ФАПЧ

13Структура программного комплекса

13Схема эксперимента

14

Выход ФАПЧ для обнаружения на основе АР моделиВыход ФАПЧ для обнаружения на основе коррелятора

Выход ФАПЧ

Экономический раздел 15

Статья затрат Обозначение Величина затрат,

руб

% затрат к

итогу

1 Затраты на основные материалы Смат 2153 0,4

2 Основная заработная плата Сосн 155400 28,2

3 Дополнительная заработная плата Сдоп 20492 3,7

4 Отчисления от заработной платы Сотч 53149 9,5

5 Затраты на машинное время Смв8602 1,5

6 Накладные расходы Снакл 267600 47,6

7 Прочие затраты Спроч 51140 9,1

Итого Сразр559443 100

Смета затрат на разработку проекта

16

• В исследовательском разделе был проведен сравнительный анализ алгоритмов обнаруженияшумоподобных сигналов. В частности, были рассмотрены характеристика сигнала срасширенным спектром, был произведен обзор и анализ существующих решений.

• В специальном разделе рассмотрен метод обнаружения ШПС на основе АР анализа входногосигнала. Разработана эффективная процедура оценки параметров АР модели, учитывающаясвойства ШПС. Приведены вычислительные затраты алгоритма обнаружения и оценки фазыПСП и частоты несущей ШПС.

• В технологическом разделе подробно рассмотрены вопросы программной реализацииразработанных процедур, приведены экспериментальные результаты работы реализованныхпроцедур для реального сигнала системы спутникового позиционирования. Для проверкиправильности работы алгоритма оценки фазы ПСП и частоты несущего колебанияиспользовалось условие вхождение в синхронизацию петли фазовой автоподстройки частоты. Экспериментальные результаты подтверждают высокую эффективность разработанныхметодов по сравнению со стандартной процедурой поиска на основе параллельногокоррелятора.

Выводы

17

Спасибо за внимание!