Анализ и моделирование обнаружителей связных сигналов в среде Systemvue

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное автономное образовательное  

учреждение высшего образования 

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Инженерно-технологическая академия 

 
 
 
 

П. А. ДЯТЛОВ 

 
 
 

АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ 

СВЯЗНЫХ СИГНАЛОВ В СРЕДЕ SYSTEMVUE 

 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ростов-на-Дону – Таганрог 

Издательство Южного федерального университета 

2021 

УДК 621.391(075.8) 
ББК 32.811я73 

Д998 

Печатается по решению кафедры радиотехнических и 

 телекоммуникационных систем Института радиотехнических систем  

и управления Южного федерального университета  

(протокол № 11 от 14 апреля 2021 г.) 

Рецензенты: 

кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе  

ООО «Аквазонд» А. А. Дегтярев 

кандидат технических наук, доцент кафедры РТС ИРТСУ 

Южного федерального университета М. В. Потипак 

  
Дятлов, П. А.  

Д998       Анализ и моделирование обнаружителей связных сигналов в среде 

Systemvue : учебное пособие / П. А. Дятлов ; Южный федеральный 
университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного  
федерального университета, 2021. – 165 с. 

ISBN 978-5-9275-3826-3 

В учебном пособии рассмотрены вопросы анализа обнаружителей сигналов 

при проведении лабораторного практикума по курсу «Радиотехнические системы 
передачи информации». Предназначается для студентов специальностей 11.05.01 
«Радиоэлектронные системы и комплексы», 11.05.02 «Специальные радиотехнические системы» и 11.05.04 «Инфокоммуникационные технологии и системы 
специальной связи» дневной и дистанционной форм обучения, а также специалистов, повышающих квалификацию в центрах переподготовки кадров. 

 
 
 

УДК 621.391(075.8)  

ББК 32.811я73 

ISBN 978-5-9275-3826-3 

 

© Южный федеральный университет, 2021 
© Дятлов П. А., 2021 
© Оформление. Макет. Издательство  
    Южного федерального университета, 2021 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Стремительное развитие научно-технического прогресса, начиная с 

прошлого столетия и по настоящее время, диктует повышенный интерес 
для широких кругов заинтересованных специалистов, научных работников 
и студентов технических специальностей в непрерывном образовании. При 
этом традиционная классическая форма обучения, предполагающая контактный способ обучения, накладывает определенные ограничения, например, в связи с пандемией коронавируса в период 2020 г.  

Целью данного учебного пособия является попытка развития и закреп
ления запаса знаний, умений и навыков студентов при проведении дистанционной формы обучения, для развития которой предлагаются учебнометодические исследования, осуществляющие все формы дистанционного 
обучения.  

Данное учебное пособие является продолжением учебного пособия 

[1], в основе которого была рассмотрена программа моделирования системного проектирования под названием «SystemView» версии 6. Данный программный продукт, на момент составления учебного пособия больше разработчиками не поддерживается, а новый программный продукт претерпел 
существенные изменения в интерфейсе пользователя и сменил нескольких 
правообладателей. Суть истории в следующем. Изначально разработкой 
программного продукта SystemView занималась компания Elanix. В результате объединения компаний Elanix и Eagleware название интегрированной 
среды проектирования SystemView было изменено на SystemVue, а в 2005 г. 
Elanix-Eagleware приобретает компания Agilent Technologies. В 2007 г. выходит последняя версия программы SystemVue 2007.3 под маркой компаний 
Elanix-Eagleware. В 2013 г. компания Agilent Technologies объявила о разделении на две компании: Agilent и Keysight Technologies.  

Идея продолжения учебного пособия возникла, поскольку программ
ный продукт фирмы Elanix не только перешел от компании к компании, но 
и претерпел кардинальные изменения в интерфейсе пользователя. При составлении учебного пособия использовалась версия SystemVue 2015. 

Интегрированная среда системного проектирования SystemVue пред
назначена для моделирования радиотехнических систем различного назначения, начиная от систем связи, систем обработки сигналов, систем автоматического управления и заканчивая радиотехническими системами переда

Предисловие 

4 

чи информации. По сути, SystemVue представляет собой конструктор, позволяющий на основе функциональных узлов составлять схемы радиотехнических систем различной сложности и проводить их моделирование, подавая на вход разнообразные модели связных сигналов под воздействием шумов, имитируя при этом реальную электромагнитную обстановку. Причем 
возможности программы SystemVue могут быть значительно увеличены по 
ряду факторов: во-первых, за счет интеграции с одним из самых мощных 
математических пакетов прикладных программ Matlab на основе моделей; 
во-вторых, за счет создания глобальных схем на основе функциональных 
схем в виде отдельных блоков (метасистем); в третьих, за счет большого 
числа пользовательских библиотек, написанных на языке Си++; и в четвертых, по окончанию моделирования цифровой системы все параметры, касающиеся его структуры могут быть переданы программе синтеза ПЛИС 
фирмы Xilinx. SystemVue отличает от других программ моделирования 
наличием большого количества специализированных библиотек, поэтому 
при подготовке курса «Радиотехнические системы передачи информации» 
выбор был сделан в пользу программы SystemVue по ряду следующих причин: 1) SystemVue удобный программный продукт, осуществляющий моделирование современных радиотехнических систем различного назначения 
на основе использования моделей актуальных сигналов и корректных моделей шумов; 2) моделирование в SystemVue осуществляется на основе построения схемы из готовых функциональных узлов и пользовательских моделей, составленных с помощью программы Matlab или написанных на 
языке С++ и откомпилированных в DLL-библиотеки; 3) анализ результатов 
моделирования в SystemVue предоставляет большие возможности, за счет 
построения всех видов спектров сигналов и помех, осуществления различных операций с графическими данными (сложение, умножение, наложение 
и много других), определения статистических характеристик результатов 
моделирования, сравнения с известными аналитическими результатами. 

Основной целью данного учебного пособия является освоение студен
тами базовых знаний по теории обнаружения сигналов на фоне помех, изучение теоретических основ построения формирователей связных сигналов 
и принципов функционирования современных радиосистем обнаружения 
связных сигналов на фоне помех. Задаче обнаружения сигналов, посвящено 
множество учебных пособий [2–5], однако, указанные учебные материалы 
предназначены в основном для контактных форм обучения. Задачей данно

Предисловие  

5 
 

го учебного пособия является раскрытие бесконтактных дистанционных 
форм обучения, что особенно актуальным выглядит на фоне пандемии коронавируса COVID-19. Учебное пособие содержит теоретические сведения, 
подробные рекомендации и описания для выполнения лабораторного практикума, посвященного анализу и моделированию четырех типов обнаружителей при приеме различных связных сигналов.  

ГЛАВА 1. СВЯЗНЫЕ СИГНАЛЫ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ 

1.1. Обобщенная модель цифровой радиосистемы  

передачи информации 

В данном учебном пособии рассматриваются системы радиосвязи, 

осуществляющие информационный обмен между стационарными и подвижными абонентами. Системы радиосвязи, как и большинство других 
направлений радиоэлектроники, имеют различные классификационные 
признаки. Классификация по назначению радиосистем передачи информации для различных категорий абонентов можно представить следующим 
набором радиосистем: 1) системы мобильной радиосвязи; 2) локальные 
пейджинговые системы; 3) транкинговые системы радиосвязи; 4) сотовые 
системы радиосвязи; 5) системы спутниковой радиосвязи. Каждый из вышеперечисленных классификационных типов систем радиосвязи направлен 
на конкретную группу пользователей с различными эксплуатационными 
запросами [6]. 

Для всех систем радиосвязи можно отметить такие тенденции разви
тия, как дальнейший переход от аналоговых систем к цифровым системам 
связи; расширение охвата функционирования систем связи; индивидуализация различных сервисов и услуг связи; увеличение перечня сервисов и 
услуг связи; повышение качества предоставляемых сервисов и услуг связи; 
поиск путей повышения спектральной и энергетической эффективности систем радиосвязи; обеспечение конфиденциальности связи; поиск и решение 
задач, связанных с безопасностью абонентов, которые участвуют в процессе информационного обмена на основе радиосистем передачи информации. 

Стремительный рост количества мобильных пользователей послужил 

причиной возникновения проблемы обеспечения электромагнитной совместимости при заданной пропускной способности радиосистем передачи 
информации. Поиску решения данной проблемы препятствует сложная динамическая радиообстановка, которая в строгом смысле является многокомпонентным процессом, способным изменяться в реальном масштабе 
времени. Для решения проблемы обеспечения электромагнитной совместимости систем радиосвязи используются различные методы пространственно-поляризационной и частотной селекции. Для решения проблемы 
пропускной способности радиосистем передачи информации необходимо, 

1.1. Обобщенная модель цифровой радиосистемы передачи информации  

7 

во-первых, выбрать радиосигнал из набора связных сигналов с различными 
типами многопозиционных манипуляций, который будет наилучшим образом соответствовать конкретной системе связи, во-вторых, применить к 
выбранным радиосигналам частотные, временные и кодовые методы 
уплотнения, и в третьих, использовать алгоритмы обработки выбранных 
радиосигналов, повышающие помехоустойчивость и помехозащищенность.  

Если обратиться к истории прогресса развития методов передачи дан
ных, то в зависимости от состояния дел в области схемотехники на некоторых этапах развития систем радиосвязи можно отметить некоторую конкуренцию между аналоговыми и цифровыми методами передачи информации. Однако уже больше нескольких десятков лет назад сложилась тенденция построения систем радиосвязи, основанных на применении цифровых 
методов передачи информации по ряду следующих факторов: во-первых, 
при использовании цифровых систем передачи данных возникает меньше 
ошибок при передачи данных за счет использования помехоустойчивого 
кодирования (обнаружения и коррекции ошибок); во вторых, цифровые методы дают возможность обеспечения конфиденциальности передаваемой 
информации; в третьих, цифровые методы обладают большей гибкостью 
технической реализации за счет использования разнообразной элементной 
базы; в четвертых, цифровые методы обеспечивают высокий уровень различных эксплуатационных характеристик (надежность, энергопотребление, 
весогабаритные параметры и т. п.).  

Среди прочих наиболее важной отличительной особенностью цифро
вых методов передачи информации является дискретность радиосигналов в 
каналах связи, которая существенно изменила назначение большинства 
функциональных узлов классической системы передачи данных по каналам 
связи. С учетом указанной особенности модель канала цифровой системы 
передачи данных представлена на рис. 1, на котором приняты следующие 
обозначения: ИИ – источник информации; ИК – информационный кодер; 
КК – канальный кодер; Мод – модулятор; ФК – физический канал передачи 
данных; Дем – демодулятор; КД – канальный декодер; ИД – информационный декодер; ПИ – получатель информации. 

Функционирование цифровой системы связи в общем случае описыва
ется тремя фундаментальными преобразованиями, такими, как кодирование-декодирование источника информации, операции канального кодиро

Глава 1. Связные сигналы и системы связи   

8 

вания-декодирования, модуляция-демодуляция полезного сигнала. Вспомним, что акроним кодек представляет собой устройство, осуществляющее 
преобразования кодирования и декодирования, а под модемом понимают 
преобразователь, выполняющий модуляцию и демодуляцию сигналов. На 
передающей стороне сосредоточены операции по преобразованию в соответствии с заданными техническими параметрами и характеристиками канала конкретного типа наиболее подходящего для данного канала сигнала.  

 

 

Рис. 1. Обобщенная цифровая система радиосвязи 

В системах цифровой связи исходная информация может трактоваться 

не только битовой последовательностью, но и быть представлена аналогом 
некоторого физического непрерывного процесса, например, при передаче 
человеческой речи, которая с помощью аналого-цифрового преобразователя трансформируется в битовый поток. Следуя далее по структуре обобщенной цифровой системы связи, осуществляется кодирование информации (битового потока) в кодере информации. Под кодированием информации понимают представление последовательности битов, взятых с выхода 
источника информации (или битовый поток с выхода АЦП в случае аналоговой природы процессов источника) в последовательность символов фиксированного объема и алфавита. Как правило, процессы кодирования данных в информационном кодере направлены на сокращение объемов передаваемой информации, что благотворно влияет на время работы канала 
связи, на частотную эффективность цифровой системы связи за счет возможного уменьшения полосы, на себестоимость системы за счет уменьшения объема памяти при обработке данных и пр. 

1.2. Модели связных сигналов 

9 

Канальное кодирование направлено на безошибочный прием переда
ваемой информации. При этом канальный кодер в отличие от информационного не сокращает объем передаваемой информации, а наоборот, добавляет в битовый поток специальные дополнительные проверочные биты в 
целях помехоустойчивого кодирования, направленного на обнаружение и 
исправление битовых ошибок в канальном декодере.  

Процесс модуляции сигнала направлен на обеспечение передачи дан
ных по конкретному физическому радиоканалу и представляет собой преобразование выходных данных канального кодера, как правило, представляемых в виде низкочастотного видеосигнала в радиосигнал заданной полосы. Вопросы выбора многопозиционной модуляции (манипуляции) сигнала решают задачу упаковки сигналов, поскольку плотноупакованные 
сигналы позволяют передавать больше данных в пределах заданной полосы. В общем случае выбор метода модуляции основан на технических характеристиках определенной системы и включает требуемую скорость передачи данных, заданную вероятность безошибочного приема данных и т.п.  

В цифровой системе связи (рис. 1) от источника информации и до мо
дулятора применяют цифровые дискретные сигналы, представляющие собой последовательность элементарных импульсов (иначе чип) с заданным 
периодом повторения. На структуре, показанной на рис. 1 они обозначены, 
как цифровые сигналы в основной полосе. Далее модулятор формирует радиосигнал с определенной манипуляцией, который затем с помощью передающего устройства передается через физический канал на приемное 
устройство. На приемной стороне осуществляются обратные операции по 
отношению к приемной стороне, которые направлены на восстановление 
передаваемой информации в исходном виде без искажений. Причины появления искажений информации возможны по ряду факторов, например таких, как неидеальность характеристик приемопередающего тракта, погрешности процессов прямого и обратного преобразования сигналов, воздействия на канал связи шумов и помех. 

1.2. Модели связных сигналов 

При выборе математической модели сигналов необходимо учитывать 

характерные особенности сообщений источника информации, которые 
имеют наиболее существенное значение для решения широкого круга за

Глава 1. Связные сигналы и системы связи   

10 

дач, при этом модель не должна быть сложной. Строго говоря, реальные 
сообщения источника информации являются реализациями нестационарных случайных процессов, теория которых чрезвычайно сложна и не нашла 
пока применения при решении технических вопросов. При этом учитывая, 
что для большинства практических приложений нестационарность реальных сообщений источника информации проявляется недостаточно существенно на большей части временного интервала существования процессов, 
а их статистические характеристики ощутимо меняются лишь в течение 
очень коротких временных промежутках, то реальные сообщения источника информации можно рассматривать, как стационарные или кусочностационарные процессы. Использование данной идеализации уместно, по 
крайней мере, по двум причинам, во-первых, теория стационарных процессов достаточно хорошо изучена, а во-вторых, большинство стационарных 
случайных процессов обладают замечательным свойством эргодичности, 
т.е. получение статистических характеристик всего процесса по одной из 
его реализаций. На практике реальные сообщения источника информации 
конечны по времени и свойство эргодичности может быть нарушено, однако если выполняется условие TсΔFс ≫ 1, где Tс, ΔFс – длительность и занимаемая полоса (ширина энергетического спектра) рассматриваемого процесса, вышеупомянутая неточность небольшая настолько, что ею можно 
пренебречь. 

Для оценки статистических свойств модели реальных сообщений ис
точника информации, в качестве которой используются стационарные случайные процессы, необходимо знать многомерную функцию плотности 
распределения вероятностей такого процесса. Если эта функция неизвестна, процессы характеризуют энергетическим спектром или корреляционной 
функцией. 

Под энергетическим спектром случайного процесса понимают функ
циональную зависимость спектральной плотности мощности от частоты. В 
теории энергетический спектр определен как для положительных, так и для 
отрицательных частот. Поскольку энергетический спектр является четной 
функцией Gс(–ω) = Gс(ω), то на практике широко используется понятие одностороннего энергетического спектра, определенного только для положительных частот и равного 2Gс(ω).