автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Когерентный прием ЧмиНФ сигналов в спутниковых системах связи (Алгоритмы обработки и структурные схемы приемников)

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

о-,

КОГЕРЕНТНЫЙ ПРИЕМ ЧМиНФ СИГНАЛОВ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ (Алгоритмы обработки и структурные схемы приемников)

05.12.13 - устройства радиотехники и средств телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесса - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре "Радиотехнические системы" Одесского государственного политехнического университета Министерства образования Украины.

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники Украины,

доктор технических наук, профессор Свердлик Мешулим Бенияминович, профессор кафедры РТС ОГПУ.

Официальные оппоненты:

Доктор технических паук, профессор Банкет Виктор Леонидович, заведующий кафедрой ТЭС Украинской государственной академии связи им. А.С.Попова

Кандидат технических наук, Малявин Игорь Павлович, начальник отдела научно-технической информации ОАО "Нептун"

Ведущая организация: Одесская государственная морская академия, г. Одесса.

'Защита состоится "2/ " мая ! 998 г. в часов на заседании специализированного ученого совета Д 05.06.05 Одесского государственного политехнического университета по адресу:

270044, г. Одесса, пр. Шевченко, 1, ОГПУ, ауд.206а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского государственного политехнического университета.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

Еримичой И. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы : Одним из перспективных направлений в исследовании путей повышения эффективности цифровых систем спутниковой связи является использование сигналов с модуляцией непрерывной фазой (МНФ). Их основной отличительной особенностью является отсутствие скачков фазы на границах тактовых интервалов и плавное ее изменение в течение каждого такта. Такие сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, но самое главное - они позволяют более эффективно использовать частотный диапазон, так как благодаря непрерывности фазы скорость убывания внеполосного излучения сигналов МНФ намного выше чем, например, у сигналов ФМ.

В настоящее время известно большое количество сигналов, принадлежащих классу сигналов МНФ. Вместе с тем особого внимания заслуживает подкласс сигналов частотной манипуляции с непрерывной фазой (ЧМнНФ) по нескольким причинам. Во-первых, эти сигналы достаточно просто описываются. Во-вторых, методы их формирования и демодуляции не такие сложные, как, например, для сигналов МНФ с модуляцией частичным откликом. В третьих, частный случай сигнала ЧМнНФ при размере алфавита М=2 и величине индекса модуляции 11=0,5 (сигнал модуляции минимальным сдвигом - ММС) уже используется в некоторых спутниковых системах. Однако сигнал ММС не реализует потенциальную помехоустойчивость сигналов ЧМнНФ. Использование сигнала ММС в ряде практических приложений обусловлено наличием относительно простых алгоритмов его формирования и обработки. При этом возможны ситуации, когда по определенным соображениям целесообразнее было бы использовать сигнал ЧМнНФ с размером алфавита , отличным от М=2 и индексом модуляции, отличным от Ь=0,5. В то же время в известной литературе отсутствуют алгоритмы построения оптимальных приемников для таких сигналов (в известной литературе проведен синтез оптимального демодулятора для произвольных М и И, однако проблема синхронизации решена только для сигнала ММС). Отметим, что в случае ФМ сигналов и сигнала ММС задачи синхронизации по несущей и тактовой частотам могут быть решены раздельно, а для сигналов ЧМнНФ с Ь ^ 0,5 алгоритмы синхронизации по несущей и тактовой частотам взаимосвязаны и не могут быть разделены.

В связи с этим актуальным является синтез оптимальных и подопти-мальных приемников для сигнала ЧМнНФ с произвольными значениями алфавита и индекса модуляции.

Цель и задачи диссертационной работы:

Целью работы является разработка оптимальных и подоптимальных алгоритмов когерентной обработки сигналов частотной манипуляции с непрерывной фазой при произвольных заданных значениях индекса модуляции Л и размера алфавита М.

В соответствии с этим основными задачами диссертационной работы являются:

• проведение анализа влияния величины индекса модуляции Ь и размера алфавита М сигналов ЧМнНФ на частотную и энергетическую эффективность, а именно:

* выбор и обоснование критериев эффективности;

* систематизация имеющихся в известной литературе численных значений показателей эффективности сигналов ЧМнНФ и определение отсутствующих;

* проведение сравнения эффективности сигналов ЧМнНФ с целью обоснования актуальности их использования в системах связи при значениях Ь ф 0,5 и М>2;

• синтез алгоритмов построения оптимальных когерентных приемников для сигналов ЧМнНФ с произвольными значениями алфавита М и индекса модуляции Ь, а именно :

* синтез оптимального алгоритма синхронизации по несущей частоте со слежением за суммарной фазой для произвольных заданных значений М и Ь при известной тактовой частоте;

* синтез оптимального алгоритма синхронизации по несущей и тактовой частотам со слежением за суммарной фазой для произвольных заданных значений М и Ь;

* синтез структурных схем оптимальных приемников для сигналов ЧМнНФ с произвольными заданными М и Ь с использованием синтезированного алгоритма синхронизации и известных в литературе алгоритмов формирования и демодуляции;

• исследование влияния синхронизации на помехоустойчивость приема при отсутствии расстройки принимаемого и опорных сигналов;

• исследование влияния синхронизации на помехоустойчивость приема при наличии расстройки принимаемого и опорных сигналов;

• синтез алгоритмов построения подоптимальных когерентных приемников сигналов ЧМнНФ с произвольными заданными М и 11, а именно:

* разработка общей методики построения решетчатых диаграмм для описания сигналов ЧМнНФ с заданными значениями М и Ь;

* разработка алгоритма построения подоптимальных когерентных демодуляторов для сигналов ЧМнНФ с произвольными заданными значениями М и Ь;

* синтез оптимальных алгоритмов синхронизации по несущей частоте со слежением за начальной фазой сигнала.

Методы исследования: При решении поставленных задач в диссертации используются аналитические и экспериментальные методы исследования. Аналитические методы базируются на теории вероятности, теории оптимального оценивания и др. Экспериментальные методы базируются на математическом моделировании при помощи ЭВМ.

Научная иовнзна работы:

• предложена новая методика анализа эффективности сигналов ЧМнНФ-М, основанная на построении КРЬ - диаграмм;

• аналитически обосновано построение цифровых систем спутниковой связи с когерентной обработкой сигналов ЧМнНФ для произвольных заданных значений индекса модуляции Ь и размера алфавита М и тем самым созданы условия для внедрения сигналов ЧМнНФ; в частности, синтезированы алгоритмы синхронизации систем передачи информации с сигналами ЧМнНФ-М при произвольных заданных значениях Ь и М со слежением за суммарной фазой сигнала при известной и неизвестной тактовой частоте;

• аналитически обосновано построение цифровых систем связи с подоптамальной когерентной обработкой сигналов ЧМнНФ для любых заданных Ь и М, в частности, предложена методика синтеза процессора Витерби для демодуляции сигналов ЧМнНФ.

Практическая ценность работы:

• установлены границы интервалов изменения величины индекса модуляции Ь, в пределах которых сигналы ЧМнНФ (при различных размерах алфавита М и интервалах наблюдения 1М) обеспечивают частотную эффективность выше, а энергетическую эффективность не хуже чем сигналы ФМ; внутри каждого интервала установлены значения экстремальных индексов модуляции;

• построены структурные схемы устройств синхронизации для случаев:

* синхронизация по несущей частоте при известной тактовой частоте;

* синхронизация по несущей и тактовой частотам;

• получены количественные оценки потерь в отношении сигнал/шум, обусловленных синхронизацией по несущей при известной тактовой частоте для случая двоичного сигнала ЧМнНФ с индексами модуляции Ь=0,5;

0,715 и 0,9; для этих же случаев получены оценки времени вхождения в синхронизм;

• построены структурные схемы процессоров Витерби для обработки двоичного и четверичного сигналов ЧМнНФ при количестве фазовых состояний у=5.

Реализация и внедрение результатов: Результаты проведенного в работе анализа влияния параметров сигналов ЧМнНФ на показатели их эффективности внедрены при выполнении госбюджетной НИР "Разработка методов повышения эффективности систем цифровой спутниковой связи с многостанционным доступом и временным разделением сигналов" в НИЛ "Радиоэлектроника" при кафедре РТС радиотехнического факультета одесского государственного политехнического университета (1993-1995 гг.).

Апробация результатов работы: Основные положения диссертационной работы обсуждались на II Международной конференции "УкрТелеКом - 95" (19-22 сентября 1995г., Одесса, Украина) и ХЬХ научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников Украинской государственной академии связи, посвященной пятилетию независимости Украины (17-20 декабря 1996г., УГАС, Одесса).

Публикации: По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ.

Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 170 листах машинописного текста. Она содержит 136 листов основного текста, 39 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 87 наименований и 6 приложений.

Основные положения, выносимые на защиту:

• метод анализа эффективности сигналов с непрерывной фазой, основанный на использовании КРЬ - диаграмм;

• алгоритм синтеза структурных схем устройства синхронизации по несущей частоте со слежением за суммарной фазой для сигналов ЧМнНФ с произвольными заданными МиЬ при известной тактовой частоте;

• алгоритм Синтеза структурных схем устройства синхронизации по несущей частоте со слежением за суммарной фазой для сигналов ЧМнНФ с произвольными МиЬ при неизвестной тактовой частоте;

• алгоритм построения подоптимальных демодуляторов для сигналов ЧМнНФ с любыми заданными М и И;

• алгоритм синтеза структурных схем устройства синхронизации по несущей частоте со слежением за начальной фазой для сигналов ЧМнНФ с любыми заданными МиЬ при известной тактовой частоте.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе проведен анализ современного состояния теории сигналов с непрерывной фазой.

Проведен анализ частотных и энергетических свойств сигналов с непрерывной фазой. Рассмотрены методы формирования и демодуляции таких сигналов для случаев модуляции полным и частичным откликом (межсимвольная фазовая и частотно-фазовая связь соответственно). Изучены известные методы синхронизации приемников сигналов с непрерывной фазой.

Проведенный анализ показал, что в литературе отсутствуют либо недостаточно изучены:

• методы сравнения сигналов МНФ и ФМ по частотным и энергетическим характеристикам при различных значениях Ь и М;

• влияние величины индекса модуляции Ь на компактность спектра сигналов ЧМнНФ и помехоустойчивость их приема при различных размерах алфавита М;

• алгоритмы синхронизации оптимальных и подоптимальных когерентных приемников сигналов ЧМнНФ при произвольных значениях М и Ь.

Из проведенного обзора и анализа вытекает актуальность использования сигналов частотной манипуляции с непрерывной фазой при Ь* 0,5 и М>2 в современных системах спутниковой связи, что позволит повысить не только частотную эффективность системы, но и помехоустойчивость передачи информации.

На основании проведенного обзора и анализа сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию влияния величины индекса модуляции Ь и размера алфавита М на частотную и энергетическую эффективности сигналов ЧМнНФ, а также сравнению с аналогичными показателями сигналов ФМ.

В качестве критерия частотной эффективности выбрана компактность энергетического спектра сигнала, определяемая с помощью функции внеполосного излучения

К(В) = 1-^-, (1)

где в(0 - спектральная плотность мощности сигнала;

В - полоса частот.

В качестве энергетического критерия эффективности выбрана вероятность ошибочного приема одного бита Р0 при заданном отношении

сигнал/шум на входе приемника.

Определение численных значений компактноста спектра и вероятности ошибки приема определялись путем использования строгих аналитических выражений и верхней оценки вероятности ошибки, а также методом математического моделирования. Проведен критический анализ полученных и частично известных в литературе данных.

Помехоустойчивость приема оценивалась при значениях отношения сигнал/шум на входе = 6, 8 и 10 [с1В] (что перекрывает диапазон изменения вероятности ошибки порядка 10~3 -10~5) при N=2, 3 и 4.

Для проведения сравнительного анализа компактности спектра и вероятности ошибки приема сигналов ЧМнНФ при различных Ь и М и ФМ сигналов вместо Ру - диаграмм предложены КРЬ - диаграммы, на которых вдоль оси абсцисс откладываются значения индекса модуляции, а вдоль оси ординат - значения показателей эффективное™ (К - и Р - эффективность). В результате каждому сигналу ЧМнНФ соответствуют два графика, отражающие поведение показателей К - и Р - эффективности при изменении величины индекса модуляции Ь.

Построены КРЬ - диаграммы для двоичных и четверичных сигналов ЧМнНФ, позволяющие определить численные значения компактноста их спектров и помехоустойчивости приема при различных параметрах, а также сравнить с сигналами ФМ.

По построенным КРЬ - диаграммам установлены границы интервалов изменения величины индекса модуляции, в пределах которых сигналы ЧМнНФ (при различных размерах алфавита и интервалах наблюдения) обеспечивают частотную эффективность выше, а энергетическую эффективность не хуже чем сигналы ФМ. Внутри каждого интервала установлены значения экстремальных индексов модуляции.

Результаты анализа представлены в таблице 1.

Проведенный анализ показал, что этом индекс модуляции Ь=0,5 не является экстремальным ни для двоичного, ни для четверичного сигналов ЧМнНФ. Отсюда следует актуальность задачи синтеза оптимальных и подоптимальных приемников сигналов ЧМнНФ-М с произвольным индексом модуляции.

Таблица 1

Результаты сравнительного анализа_ _

Размер алфавита М Интервал наблюдения N Диапазон изменения индекса модуляции Ш Ш Ш АХ Экстремальные индексы модуляции Оптимальный индекс модуляции

2 2 0,48 0,87 0,715 0,715

2 3 0,46 0,89 0,715 0,715

2 4 0,44 0,9 0,715 0,715

4 2 0,32 0,93 0,4 0,6 0,75 0,75

4 3 0,31 0,95 0,4 0,6 0,8 0,8

4 4 0,3 0,96 0,4 0,6 0,82 0,82

Третья глава посвящена синтезу алгоритмов синхронизации когерентных приемников сигналов ЧМпНФ с произвольными заданными значениями индекса модуляции Ь и размера алфавита М по несущей и тактовой частотам.

При построении устройств синхронизации со слежением за начальной фазой 0О сложность демодулятора прямо пропорциональна количеству фазовых состояний (которое зависит от Ь) и экспоненциально зависит от размера алфавита М и числа анализируемых символов N. С целью упрощения структуры демодулятора предложено отслеживать суммарную фазу, представляющую собой сумму начальной фазы и фазового набега за время предыдущих тактов

6Г. = е0 + |>^11,^=±1,±3!...,±(М-1). (2)

Я

В этом случае доказывается, что сложность демодулятора становится инвариантной к числу фазовых состояний.

Синтез проводился в предположении что передаваемые информационные символы равновероятны, начальная фаза распределена равномерно

в интервале ±эт, а на входе приемного устройства аддитивный гауссовы® "белый" шум с нулевым средним и односторонней спектральной плотностью мощности Ы0.

Синтезирован алгоритм синхронизации по несущей частоте при известной тактовой частоте девиации сигнала, имеющий следующий вид

31n[p(z/eXi)]

дв«

= о,

(3)

1 м 2 Т 11

P(z У 9j. ) = — £С Ехр{—Jz(t)SSin[cB0t + akQ(t - о - i,T) + вг. ]dt>,

•М k=l 0 i=l

ak=2k-(M + l), (4)

где z(t) - смесь полезного сигнала s(t) и шума n(t) на входе;

Т - длительность тактового интервала;

Q(t) = 7ih/ Т - частота девиации.

Алгоритм (3) позволяет синтезировать структурную схему устройства синхронизации для любого М. В работе в порядке иллюстрации приведены структурные схемы устройств синхронизации для двоичного и четверичного алфавитов. Подчеркнем, что благодаря тому, что слежение осуществляется за суммарной фазой (а не за начальной), структура схемы устройства синхронизации при заданном М не зависит от h.

Синтезирован алгоритм синхронизации по несущей и тактовой частотам, имеющий следующий вид

51n[p(z/G£. • V)

se£i

sin[p(z/eE ■ V)

8

Л

4 = 0£,

Л

= v

Л

Л

4> = v

= 0;

= 0.

(5)

p(z/ev\|/):

1 м 2Е

£СЕхр{-^}х

МЙ

Nn

хЕхр {—[J z(t)X Sin[co 0t + 0 j.. ]Cos[ak (Q(t - о - oT) + \j/)]dt +

No 0 i=l

+ Jz(t)i Cos[o0t + er ]Sin[ak(Q(t-(i-,/1) + i,/)]dt]} ,(6)

0 i=l

где \\i - фаза колебания с тактовой частотой.

В (5) первое уравнение определяет структуру построения петли ФАПЧ для слежения за несущей со0 и фазой 9Г. , а второе -

структуру построения петли ФАПЧ для слежения за частотой 2п/Т и фазой ц) колебания с тактовой частотой.

В качестве примера в работе приведена структурная схема устройства синхронизации по несущей и тактовой частотам для двоичного алфавита.

Таким образом, результаты этой главы теоретически обосновывают построение цифровых систем спутниковой связи с когерентной обработкой сигналов ЧМнНФ при произвольных заданных значениях индекса модуляции h и размера алфавита М и тем самым создают условия для внедрения сигналов ЧМнНФ с оптимальными по заданным критериям индексами модуляции.

Четвертая глава посвящена анализу влияния синхронизации по несущей частоте на помехоустойчивость оптимального когерентного приема двоичного сигнала ЧМнНФ при отсутствии расстройки частот принимаемого и опорных сигналов и при ее наличии. Исследования проводились методом математического моделирования. При этом полагалось, что все элементы схемы выполняют свои функции в соответствии с их математическим описанием, а устройство формирования не вносит искажения в опорные сигналы.

Разработана структурная схема оптимального когерентного приемного устройства с использованием известного алгоритма демодуляции и синтезированного в 3-й главе алгоритма синхронизации. Исследования проводились для индексов модуляции h=0,715 (оптимальный) и h=0,5 и 0,9 (близкие к граничным) при интервалах наблюдения N=2 и 3.

Проведен анализ влияния устройства синхронизации на возникновение ошибок демодуляции в отсутствие шумов. Результаты моделирования показали следующее:

• синтезированный алгоритм синхронизации при сделанных допущениях работоспособен;

• наличие остаточной фазовой ошибки, обусловленной конечностью интервала оценивания, при вероятностях ошибки приема Р0 > 10"6 не проявляется.

Аналогичные исследования при наличии шумов показали следующее:

• наличие шумов приводит к появлению потерь в отношении сиг нал/шум (здесь и далее под потерями подразумевается величина, не которую необходимо увеличить отношение сигнал/шум qцX прт обработке с учетом синхронизации, чтобы обеспечить такую ж< вероятность ошибки, как при обработке без учета синхронизации);

• при уменьшении требуемой вероятности ошибки от 10"3 до 10": ветчина потерь уменьшается примерно на 0,5 (Ш;

• увеличение индекса модуляции приводит к возрастанию потерь так, например, при Р0 = Ю-5 потери составляют 0,8; 1,2 и 1,5 с!В дои 11=0,5; 0,715 и 0,9 соответственно;

• увеличение интервала наблюдения N от 2-х до 3-х тактов для рас смотренных индексов модуляции сопровождается увеличением потерь примерно на 0,2 (1В.

Исследована работа устройства синхронизации в режиме захвата несущей частоты для тех же индексов модуляции. При моделировании полагалось, что во всех случаях начальная расстройка управляемого генераторе равна До = 2п / 8Т .Исследования проводились как в отсутствие шумов, та! и при их наличии. В отсутствие шумов получены следующие результаты:

• синтезированный алгоритм позволяет осуществлять вхождение I синхронизм по несущей частоте по крайней мере при Дю < 2к / 8Т; процесс вхождения в синхронизм имеет колебательный характер Это объясняется наличием скачков суммарной фазы на граница) тактовых интервалов. Учитывая, что сигнал рассогласования зави сит как от частотной, так и от фазовой расстроек, на отдельны} тактах может происходить как уменьшение частотной расстройки так и ее увеличение;

• после 100 тактовых интервалов может быть обеспечена вероятность ошибки порядка 10~5, а после 150 тактов порядка Ю-6. По этому для синтезированных алгоритмов синхронизации под вре менем вхождения в синхронизм следует понимать количество тактовых интервалов, по истечение которых при заданном и на личии начальной расстройки по несущей частоте будет обеспечи ваться такая же вероятность ошибки, как и в отсутствие начальной расстройки.

Аналогичные исследования при наличии шумов показали, что в это!к случае также обеспечивается вхождение в синхронизм. Кроме того, былс определено время вхождения в синхронизм для перечисленных выше ин дексов модуляции при ЦцХ=5, 10 и 15 с1В.

Таким образом, результаты этой главы позволяют:

• построить оптимальное когерентное приемное устройство для двоичного сигнала ЧМнНФ при произвольном индексе модуляции;

• качественно оценить величину потерь, вызванных синхронизацией, и времени вхождения в синхронизм для конкретных значений индексов модуляции.

Пятая глава посвящена решению проблемы построения подопти-мальных когерентных приемных устройств для сигналов ЧМнНФ при любых заданных индексе модуляции Ь и размере алфавита М.

Предложена обобщенная методика построения решетчатых диаграмм для сигналов ЧМнНФ с любыми заданными М и Ь, которая заключается в следующем:

• для заданного Ь определяется множество фазовых состояний (соответствующих узлам диаграммы) путем выполнения процедуры

фк = Ш0(12Л{кл:Ь}, к = 1, 2, ... (7)

до тех пор, пока не будет получен результат Фк = 0 (соответствующее значение к является числом фазовых состояний V).

• строятся V узлов решетчатой диаграммы в моменты времени (М)Т и ГГ;

• в соответствии с заданным размером алфавита М для каждого узла в момент времени ¡Т определяются номера исходных узлов по следующей формуле

к?., = то<1у{к1-а},а = ±1> ±3,..., ±(М-1) , (8)

после чего строятся ветви диаграммы.

Установлено, что вид решетчатой диаграммы определяется исключительно числом фазовых состояний и размером алфавита. Кроме того, некоторые индексы модуляции дают одинаковое число фазовых состояний (например, для Ь=0,1; 0,3; 0,7 и 0,9 у=20).

Решетчатая диаграмма однозначно определяет структуру подопти-мального демодулятора по алгоритму Витерби. В качестве примера синтезированы структурные схемы для М=2 и 4. Анализ схем показал, что

• структура процессора определяется только количеством фазовых состояний V и размером алфавита М;

• процессор Витерби состоит в основном из однотипных модулей;

• цифровая часть процессора может строиться как по параллельному, так и по последовательному, либо последовательно-парал-

лельному принципу, в результате чего может быть достигну] разумный компромисс между аппаратурной сложностью и требуемым быстродействием элементной базы;

• структурная сложность процессора Витерби по мере увеличения размера алфавита возрастает линейно, в то время как сложносп оптимального приемника - экспоненциально;

• недостатком процессоров Витерби является увеличение сложности с ростом числа фазовых состояний - это приводит к тому, что для некоторых величин индекса модуляции Ь схема процессора может оказаться чрезмерно сложной, и даже сложнее схемы оптимального приемника; поэтому при выборе Ь следует принимать во внимание не только показатели эффективности сигнала ЧМнНФ (достигаемые при данном Ь), но и количество фазовых состояний у; в результате в ряде ситуаций более целесообразным будет выбор Ь, несколько отличающегося от оптимального, но дающего меньшее V.

В этом случае, для формирования опорных сигналов необходимо знать начальную фазу несущей частоты. Поэтому был синтезирован алгоритм синхронизации систем с сигналами ЧМнНФ по несущей частоте со слежением за начальной фазой сигнала при известной тактовой частоте, Синтез проводился в общем виде, то есть без конкретизации индекса модуляции. Алгоритм имеет следующий вид

31п[р(г/е0)]

эе0

ой=е0

-о, (9)

р м V 9 ^ п Р(2/0О) = —Х1Ехр тГ|г(ОХ8т[а)01+ е0]Со5[ака(1 - (■ -.)Т)]Соз[ф/]с11+ уМин [N„'0 ,=]

+—140Х Сск[ш 01 + 00]Бт[акПа - а - 1)Т)]Со5[(р,]сИ +

N0 о ¡-1

+{ Соз[о 01 + 00]Со5[акП(1-<1- 1)Т)]8ш[<р, ]сИ+ N00 1=1

2 1 п 1 +ТГ.[г(1)£8т[т01 + ео]8т[акЯа - а-1)Т)]8ш[фЛ^ [ • (10)

N0 о 1-1 )

В качестве примера в работе приведена структурная схема устройства синхронизации, синтезированная для случая двоичного алфавита. Установлено, что

• структура устройства синхронизации, также как и структура демодулятора Витерби, зависит от числа фазовых состояний V и размера алфавита М; кроме того, в случае четного V схема упрощается

• сложность системы линейно зависит от числа фазовых состояний у.

Результаты данной главы позволяют:

• синтезировать демодулятор Витерби для сигнала ЧМнНФ с любыми заданными значениями индекса модуляции Ь и размера алфавита М; синтезировать структурную схему системы синхронизации по несущей частоте со слежением за начальной фазой для любых заданных значений индекса модуляции Ь и размера алфавита М при известной частоте девиации.

Таким образом, в этой главе теоретически обосновано построение цифровых систем связи с подоптималыюй когерентной обработкой сигналов ЧМнНФ для любых заданных значений индекса модуляции Ь и размера алфавита М. Тем самым становится возможным достижение компромисса между аппаратурной сложностью приемника с одной стороны и помехоустойчивостью приема с другой стороны. Вместе с результатами двух предыдущих глав это открывает широкие перспективы к использованию сигналов ЧМнНФ в современных цифровых системах связи.

В заключении приведены основные результаты и итоги работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Проведен анализ влияния величины индекса модуляции Ь и размера алфавита М сигналов ЧМнНФ-М на частотную и энергетическую эффективность при помощи предложенных в работе КрЬ - диаграмм. Установлено, что большой интерес представляют сигналы ЧМнНФ-М с экстремальными индексами модуляции. При этом индекс модуляции Ь—0,5 не является экстремальным ни для двоичного, ни для четверичного сигна-тов ЧМнНФ. Отсюда следует актуальность задачи синтеза оптимальных и подоптимальных приемников сигналов ЧМнНФ-М с произвольным индексом модуляции. В ходе исследований получены следующие результаты:

• построены КРЬ - диаграммы, для сигналов ЧМнНФ с различными параметрами;

• установлены границы интервалов изменения величины индекса модуляции, в пределах которых сигналы ЧМнНФ (при различных

размерах алфавита и интервалах наблюдения) обеспечиваю-частотную эффективность выше, а энергетическую эффективносп не хуже чем сигналы ФМ-М;

• внутри каждого интервала установлены значения экстремальны: индексов модуляции.

2. Теоретически обосновано построение цифровых систем спутниково] связи с когерентной обработкой сигналов ЧМнНФ для произвольны; значений индекса модуляции Ь и размера алфавита М и тем самьи созданы условия для внедрения в такие системы сигналов ЧМнНФ. I частности, синтезированы алгоритмы синхронизации систем передач] информации с сигналами ЧМнНФ-М при произвольных значения: индекса модуляции Ь и размера алфавита М со слежением за суммарно! фазой сигнала, а именно:

• алгоритм синхронизации по несущей частоте при известно! тактовой частоте;

• алгоритм синхронизации по несущей и тактовой частотам.

3. На основании синтезированных алгоритмов в качестве примеро] разработаны структурные схемы устройств синхронизации для случа) двоичного алфавита.

4. Разработана структурная схема оптимального когерентного прием ного устройства для двоичного сигнала ЧМнНФ с произвольные индексом модуляции.

5. Методом метематического моделирования исследовано влияние син хронизации на помехоустойчивость приема двоичного сигнала ЧМнНФ I проанализирована работа устройства синхронизации в режиме вхождени: в синхронизм. Исследования проводились как в отсутствие шумов н; входе, так и при их наличии. Получены следующие основные результаты:

• синтезированный алгоритм синхронизации работоспособен как ] отсутствие шумов, так и при их наличии;

• влияние систематической фазовой ошибки при вероятности: ошибки приема Р0 > 1(Г6 не проявляется;

• при уменьшении требуемой вероятности ошибки происходи* уменьшение потерь ( порядка 0,5 с1В при уменьшении Р0 от Ю-3 д( ИГ5);

• увеличение индекса модуляции приводит к возрастанию потер] (при Р0 = 10"3 потери составляют 0,8; 1,2 и 1,5 с!В для Ь=0,5; 0,715 I 0,9 соответственно);

• увеличение интервала наблюдения N от 2-х до 3-х тактов сопро вождается увеличением потерь примерно на 0,2 ёВ.

• при вхождении в синхронизм по несущей частоте в случае начальных расстроек Аса ^ 2л / 8Т не более чем через 100 тактов может быть обеспечена вероятность ошибки порядка 10~5, а через 150 тактов - порядка 10~6;

• процесс вхождения в синхронизм имеет колебательный характер.

). Алгоритмически обосновано построение цифровых систем связи с юдоптимальной когерентной обработкой сигналов ЧМнНФ для любых ¡адапных значений индекса модуляции Ь и размера алфавита М. Тем ;амым обеспечена возможность достижения компромисса между шпаратурной сложностью приемника с одной стороны и юмехоустойчивостью приема с другой стороны. Предложена методика :интеза процессора Витерби для демодуляции сигналов ЧМнНФ, кобенности которой можно сформулировать в виде следующих тезисов:

• структура процессора зависит исключительно V и М;

• процессор Витерби состоит в основном из однотипных модулей;

• структурная сложность процессора Витерби по мере увеличения размера алфавита возрастает линейно, в то время как сложность оптимального приемника - экспоненциально;

• сложность процессора линейно зависит от количества фазовых состояний у;

Разработаны структурные схемы процессоров Витерби для >бработаи двоичного и четверичного сигналов ЧМнНФ при количестве разовых состояний у=5.

>. Синтезирован алгоритм синхронизации систем с сигналами ЧМнНФ ю несущей частоте со слежением за начальной фазой сигнала при извес-ной тактовой частоте. В качестве примера разработаны структурные схе-ш устройств синхронизации для двоичного алфавита при четном и нечет-юм числе фазовых состояний. Анализ синтезированных схем показал, что

• структура системы выделения несущей, также как и структура процессора Витерби, зависит исключительно от V и М;

• сложность системы линейно зависит от числа фазовых состояний V.

Таким образом, с одной стороны, обоснована целесообразность и

актуальность использования в цифровых системах спутниковой связи игналов ЧМнНФ с индексами модуляции, отличными от 0,5 и размерами шфавита, большими чем 2. С другой стороны, синтезированные опти-гальные и подоптомальные алгоритмы когерентного приема сигналов ШнНФ с произвольными значениями индекса модуляции Ь и размера алфавита М и построенные структурные схемы, реализующие эти алгоритмы, еоретически обосновывают возможность построения спутниковых систем

связи, использующих сигналы ЧМнНФ с оптимальными по тем или ины критериям индексами модуляции.

Подчеркнем, что разработка оптимальных и подоптимальны приемников на основе проведенных теоретических исследований связано, одной стороны, с серьезной инженерной проработкой структурных схем, с другой стороны - с некоторым ухудшением качественных показателе приемников из-за отклонений характеристик реальных элементов от и алгоритмического описания.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Свердлик М.Б., Коваленко Ю.Б. Сравнительный анализ методов мод? ляции и кодирования для цифровых систем спутниковой связи Пращ УНД1РТ,- 1996.- № 3(7).- С. 15-22.

2. Свердлик М.Б., Коваленко Ю.Б. Выделение несущей сигнала частотно манипуляции с непрерывной фазой при произвольном индексе модуляци // Пращ УНД1РТ,- 1997.- № 4(8).- С. 18-26.

3. Свердлик М.Б., Коваленко Ю.Б. Синтез схемы выделения несущей ча( тоты и колебания с частотой девиации сигналов ЧМ-НФ// Пращ УНД1РТ 1996,-№4(8).

4. Свердлик М.Б., Коваленко Ю.Б. Тактовая синхронизация в системах двоичным сигналом ЧМ-НФ при произвольном значении индекса м о дуто ции И Пращ УНД1РТ,- 1997.- № 3(11) - 4(12).- С.ЮМ03.

5. Свердлик М.Б., Коваленко Ю.Б. Сравнительный анализ методов модз ляции и кодирования для цифровых систем спутниковой связи // Труды ] Международной конференции "УкрТелеКом - 95".- Одесса: УГАС.- 1995 С.94 - 97.

6. Сравнительный анализ методов модуляции и кодирования для цифре вых систем спутниковой связи / Свердлик М.Б., Коваленко Ю.Б.; Оде« гос. политехи, ун-т,- Одесса, 1995.- 25 е.- Рус.- Деп. в ГНТБ Украиш 01.12.95, №2563 -Ук95.

Коваленко Ю.Б. Когерентный прием ЧМнНФ сигналов в спутнико-шх системах связи (Алгоритмы обработай и структурные схемы приемников).- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических гаук по специальности 05.12.13 - устройства радиотехники и средств геле-соммуникаций.- Одесский государственный политехнический университет,- Одесса, 1998.

В работе обоснована актуальность использования в цифровых системах спутниковой связи сигналов ЧМнНФ с индексами модуляции h*0,5 и размерами алфавитов М>2 . Синтезированы оптимальные и подоптималь-ше алгоритмы когерентного приема сигналов ЧМнНФ с произвольными ¡аданными значениями h и М. Это позволило аналитически обосновать гостроение оптимальных и подоптимальных приемников сигналов ШнНФ (с произвольными заданными h и М) для цифровых систем связи.

Ключевые слова: непрерывная фаза, эффективность, когерентный 1рием, алгоритм синхронизация, суммарная фаза, алгоритм Витерби.

Коваленко Ю.Б. Когерентне приймання ЧМнБФ сишал1в в супутни-сових системах зв'язку (Алгоритми обробки та структурш схеми прийма-¡¡в).- Рукопис.

Дисертащя на здобутгя вченого ступеня кандидата техшчних наук за яещальшстю 05.12.13 - пристро! радютехнжи та засоб!в телекомушкацш,-Здеський державний полтехшчний ушверситст,- Одеса, 1998.

В дисертацй' обгрунтовано актуальтсть використання в цифрових :истемах супутникового зв'язку сигналов ЧМнБФ з шдексами модуляцп 1*0,5 та розм1'рами алфавиту М>2. Синтезовано оптималый та квазиоп-Tiviajibiri алгоритми когерентного приймання сигналш ЧМнБФ з довшь-шми заданими h та М. Це дозволило аналпично обгруитувати побудову >птимальних та квазиоптимальних приймач1в сигнал)в ЧМнБФ (з довшь-шми заданими h та М) для цифрових систем зв'язку.

Клточоси слова: безперервна фаза, ефсктившсть, когерентне прий-<ання, алгоритм синхрошзацп, сумарна фаза, алгоритм BiTep6i.

Kowalenko Yu.B. Coherent receiving of CPFSK signals in satellites ommunication systems (Processing algorithms and receivers structures).-vlanuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.12.13 - Radio and elecommunications means devices.- Odessa State Polytechnical University.-)dessa, 1998.

The actuality of using CPFSK signals with vjdulation index h^ 0,5 and Jphabet base M>2 in digital systems of satellite communication is grounded in his work. Optimal and suboptimal algorithms of coherent receiving the CPFSK ignals with any h and M are synthezied. This allows to ground analitically the onstruction of optimal and suboptimal CPFSK signals with any h and M eceivers for digital communication systems.

Key words: continuous phase, efiectivity, coherent detection, ynhronization algorithm, summary phase, Viterbi algorithm.

Подписано в печать 16.04.98. Объем 1,0 усл. печ. л. Формат 60*88/16. Заказ №£2^£.Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии издательского центра Украинской государственной академии связи им. А.С.Попова с оригпнал-макета на издательском оборудовании фирмы RISO.