Details

Цель работы — исследование и повышение эффективности алгоритмов обнаружения и временной синхронизации канальных интерфейсов системы обмена данными в ОВЧ-диапазоне VDES, регламентированной Рекомендацией МСЭ-R M.2092-1. В соответствии с заданием в работе решены следующие задачи: — выполнен обзор существующих систем идентификации судов (AIS, VDES); — описана архитектура системы VDES и модель канала передачи в полосе 156–174 МГц морской подвижной службы; — реализованы алгоритмы поиска и временной синхронизации для наземного сегмента VDE-TER при числе отсчётов на символ Ns = 4 … 32; — учтены нестабильности опорных генераторов и задержки распространения сигнала в наземном и спутниковом сегментах. В работе были проведены: аналитический вывод решающего порога обнаружения синхрослова в абсолютной шкале амплитуд на основе релеевской статистики амплитуды огибающей шумовой выборки и райсовской статистики при наличии сигнала; численное моделирование алгоритмов поиска пакета и временной синхронизации для трёх синхрослов из табл. 1 стандарта; расчёт доплеровской обстановки и геометрии наблюдения низкоорбитального спутника VDE-SAT с пересчётом радиальной скорости от скорости судна 100 км/ч и центральной частоты физического ОВЧ-канала; исследование точности временной синхронизации при числе отсчётов на символ Ns = 2 … 32 и значениях Es/N0 = 0, 3, 6, 9 дБ. Использовались методы: метод согласованной фильтрации, метод банка частотных гипотез, метод параболической интерполяции пика, метод фазовой автоподстройки частоты по схеме Костаса и методы статистической радиотехники для анализа решающего правила. В результате получены: значение решающего порога в шкале амплитуд A_thr = σ·√(−2·ln P_fa) ≈ 3,72·σ для вероятности ложной тревоги P_fa = 10⁻³; полное описание алгоритма обработки — грубая частотная компенсация, банк частотных гипотез с шагом Δf_grid = 100 Гц в диапазоне ±300 Гц, некогерентное обнаружение синхрослова, определение «косинусной» квадратуры по знаку выхода согласованного фильтра в точке максимума и параболическая интерполяция пика через вторую производную; семейства кривых σ(τ̂)/Ts от Ns и Pd(Es/N0) для Ns = 2, 4, 8, 12, 14, 16 при Pfa = 10⁻³; обоснование рекомендуемого значения Ns = 16 как оптимального компромисса между точностью синхронизации и вычислительной нагрузкой. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании канальных интерфейсов приёмников VDES. Использованные информационные технологии: MATLAB R2021a с пакетами Communications Toolbox и Signal Processing Toolbox; среда Simulink для имитационного моделирования канального интерфейса; стандартное офисное программное обеспечение для оформления текста ВКР.

The objective of the thesis is to investigate and improve the efficiency of detection and timing synchronization algorithms used in the link-layer interfaces of the VHF Data Exchange System (VDES) standardized by Recommendation ITU-R M.2092-1. In accordance with the assignment, the following tasks have been solved: — a survey of ship identification systems (AIS, VDES) has been carried out; — the VDES architecture and the channel model in the 156–174 MHz maritime mobile band have been described; — packet search and timing synchronization algorithms for the terrestrial VDE-TER segment have been implemented with the number of samples per symbol Ns = 4 … 32; — the instabilities of reference oscillators and the propagation delays in the terrestrial and satellite segments have been taken into account. The detection threshold has been derived in the absolute amplitude scale based on Rayleigh noise statistics and the Rician statistics for signal-plus-noise: A_thr = σ·√(−2·ln P_fa) ≈ 3.72·σ for P_fa = 10⁻³. The complete processing chain has been described — coarse frequency compensation, frequency hypothesis bank with step Δf_grid = 100 Hz in the range ±300 Hz, non-coherent detection of the synchronization word, determination of the cosine quadrature from the sign of the matched filter output at the detected peak, and parabolic peak interpolation based on the second derivative of the matched filter envelope. Families of curves σ(τ̂)/Ts versus Ns and Pd(Es/N0) for Ns = 2, 4, 8, 12, 14, 16 at Pfa = 10⁻³ have been obtained; Ns = 16 has been justified as the optimal trade-off between timing synchronization accuracy and computational complexity. The obtained results can be used in the design of link-layer interfaces for VDES receivers. Software tools used: MATLAB R2021a with Communications Toolbox and Signal Processing Toolbox packages; Simulink for link-layer simulation; standard office software for the thesis layout.