автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Адаптивная фильтрация и кодирование в последовательных системах передачи дискретных сообщений по многолучевым каналам связи

. - -. 1 На правах рукописи

, ; О V < I

Мишин Дмитрий Викторович

АДАПТИВНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ И КОДИРОВАНИЕ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ ПО МНОГОЛУЧЕВЫМ

КАНАЛАМ СВЯЗИ

Специальность 05.12.13 - Системы и устройства

радиотехники и связи

Ав тореф ерат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Самара 1996

Работа выполнена в Поволжском институте информатики, радиотехники и связи (ПИИРС, г.Самара).

Научный руководитель - Доктор ■ технических наук, доцент

В.Г. Карташевский

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор А.И. Тяжев

- кандидат технических наук, доцент В.А. Бочкарёв

Ведущее предприятие: Самарское отделение научно-исследовательского института радио (СОНИИР).

Защита диссертации состоится " СЫл^&сиЯ 1996г.

(QG г

в Щ— час, на заседании специализированного Совета К 118.10.01 Поволжского института информатики, радиотехники и связи по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л.Толстого 23.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять но вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Поволжского института информатики, радиотехники и связи.

Автореферат разослан " 21 " vLUXf/1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, доце!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы »состояние вопроса.

Совершенствование средств и систем связи является важной технической проблемой. Рост объемов передаваемой информации требует увеличение скорости передачи, что ведет к значительному усложнению алгоритмов функционирования систем связи и существенному взаимному влиянию сигналов в каналах связи различных диапазонов волн. К таким каналам относятся прежде всего каналы декаметрового, метрового и дециметрового диапазона, которые следует отнести к радиоканалам со случайно изменяющимися параметрами. Характерной особенностью таких стохастических радиоканалов является рассеяние энергии передаваемого элемента сигнала во времени (память канала), по частоте, в пространстве и наличие аддитивных помех: флуктуационной (дельта-коррелированной) и сосредоточенной по спектру, обусловленной большим числом радиосредств, одновременно рабо тающих в радиоканале на близких частотах. При скоростной последовательной передаче дискретных сообщений по таким каналам в них наблюдается явление межсимвольной интерференции (МСИ), характеризующееся взаимным наложением в месте приема сигналов, соответствующих различным переданным символам сообщения.

Кроме того, такие каналы связи характеризуются наличием селективных по частоте замираний и доплеровскими эффектами. Необходимость использования каналов с такими свойствами для передачи дискретных сообщений с большими скоростями делает актуальной проблему разработки и построения эффективных устройств преобразования сигналов (УПС, модемов), предназначенных для работы в многолучевых каналах с переменными параметрами и большой относительной памятью.

Недостаточность априорных сведений о свойствах конкретно используемого канала и помех, действующих в нем, приводит к необходимости построения адаптивного приемного устройства, в задачу которого входит не только вынесение решения о передаваемой последовательности дискретных элементов, но и оценивание некоторой совокупности параметров стохастического канала связи, включая помехи, а также слежение за их изменениями.

Эффективность и помехоустойчивость систем передачи дискретных сообщений по многолучевым радиоканалам можно существенно повысить путем использования новых методов кодирования и декодирования, предназначенных для борьбы с пачками ошибок (возникающими, например, при глубоких замираниях сигнала), и разработки новых устройств подавления сосредоточенных помех в канале.

Теория оптимальных методов приема дискретных сообщений первоначально была разработана В.А.Котельниковым для каналов без временного рассеяния (без памяти, однолучевой канал) при полной априорной определенности относительно их свойств и при учете в канале только аддитивного белого гауссовского шума (БГШ). Дальнейшее развитие теории для стохастических каналов без памяти и при учете, кроме БГШ, сосредоточенных и импульсных помех отражено в работах JI.M.Финка, Д.Д.Кловского, Т.Кайлата (T.Kailath), Дж.Турина (G.L.Turin), Ф.Белло (P.A.Bello), Дж.Возенкрафта (J.M.Wozencraft) и ряда других ученых.

Повышение скорости передачи дискретных сообщений привело к тому, что явление МСИ стало главным фактором, препятствующим приему с малой вероятностью ошибок. Поэтому усилия многих ученых были направлены на устранение негативной роли МСИ по нескольким направлениям:

- поиск такой структуры сигналов, при которой память канала существенно не проявляется (многоканальные системы с посылками большой длительности) (Л.М.Финк);

- разработка оптимальных методов приема в каналах с памятью при последовательной передаче дискретных сообщений (Д.Д.Кловский, К.Хелстром (C.W.Helstrom));

- разработка устройств, корректирующих характеристики реального канала связи (М.Диторо (М.Ditoro), В.А.Кисель, Ю.А.Тамм).

Исследование показывают, что наиболее эффективным в стохастических многолучевых каналах является использование оптимальных методов приема дискретных сообщений при их последовательной передачи.

Метод последовательной передачи дискретных сообщений по стохастическим многолучевым каналам был предложен Д.Д.Кловским в 1958г. В 1960г. им же было предложено в оптимальном поэлементном приемнике использовать обратную связь по решению (ОСР) для компенсации сигналов межсимвольной интерференции, обусловленной символами предшествующими анализируемому, неизбежно возникающей при последовательной высокоскоростной передаче дискретных сообщений. Различные аспекты использования ОСР были обсуждены М.Остином (M.Austin), Н.П.Хворостенко, Дж.Кларком (J.CIark), И.А.Цикиным. Можно считать, что в начале 60-х годов в работах Д.Д.Кловского были сформулированы все идеи, приведшие к созданию в конце 60-х годов (совместно с Б.И.Николаевым) субоптимального (основанного на использовании ОСР) алгоритма, названного позже алгоритмом "приема в целом с поэлементным принятием решения" (ПЦППР), или алгоритмом Кловского-Николаева.

Проблемы оптимального приема в каналах с памятью при последовательном способе передачи дискретных сообщений нашли свое отражение в дальнейших работах Д.Д.Кловского, а также в работах А.Витерби (A.Viterbi), Дж.Омура (Jim Omura), Г.Форни (G.D.Forney), К.Абенда (K.Abend), Б.Фритчмана (B.D.Fritchman), Г.Унгербоека (G.Ungerboeck), Б.И.Николаева, В.Г.Карташевского и других ученых. Предложенный А.Витерби в 1967г. алгоритм декодирования сверточных кодов (алгоритм Витерби (АВ)) был приспособлен в 1970г. Дж.Омура (по данным Г.Форни) для решения задачи демодуляции в канале с памятью. Имея важные принципиальные отличия, АВ и ПЦППР реализуют в канале с белым гауссовским шумом примерно одинаковую помехоустойчивость.

Методы преодоления априорной неопределенности и построения адаптивных устройств были развиты работами Б.Р.Левина, Р.Л.Страто-новича, Я.З.Цыпкина, В.Г.Репина и Г.П.Тартаковского, В.В.Шахгиль-дяна, Ю.Г.Сосулина и других ученых. В данной работе термин "адаптивный" понимается в смысле "получающий и использующий оценки" параметров канала связи и помех. Это согласуется с оценочно-корреляционным принципом построения оптимального приемника в задаче различения гипотез, развитого Т.Кайлатом, Ю.Г.Сосулиным и другими, и соответствует подходу Б.Уидроу (B.Widrow) и С.Стирнза (S.Stearns), рассматривающих методы получения оценок полезных сигналов и помех в системах с фиксированной структурой при априорной неопределенности относительно их свойств.

Проблемы борьбы с сосредоточенными (по спектру) помехами рассматривались многими авторами (Л.М.Финк, Д.Д.Кловский, В.И.Коржик, А.А.Сикарев, А.И.Фалько, Н.Е.Кириллов и др.) в разных аспектах, причем можно выделить ряд подходов к решению этой задачи: фильтровой ("вырезание" помехи вместе с частью спектра полезного сигнала), компенсационный (оценивание и вычитание из смеси с полезным сигналом и шумом), алгоритмический (построение решающего правила с учетом действия сосредоточенной помехи).

Повышение помехоустойчивости и эффективности последовательного метода передачи, впрочем как и параллельного (многоканального), связано с использованием кодирования. В связи с интенсивным использованием сверточных кодов, наиболее полно соответствующих непрерывному (последовательному) характеру передачи информации по каналу связи, актуальными стали вопросы совмещения операций демодуляции и декодирования (А.Витерби, Дж.Омура, Г.Унгербоек), а также вопросы адаптивного кодирования-декодирования (Р.Галлагер (R.G.Gallager)), с помощью которого возможно существенное повышение достоверности передачи в каналах с пакетированием ошибок.

В последнее время бурное развитие получили цифровые методы обработки сигналов с применением специализированных цифровых устройств. Первый крупный вклад в теорию цифровой обработки сигналов, касающийся анализа и синтеза цифровых фильтров, был сделан в работах Я.З.Цыпкина, Д.Кайзера (J.F.Kaiser). Дальнейшее развитие теории цифровой обработки сигналов и ее применения к конкретным техническим проблемам сделали Б.Гоудд (B.Gold), Ч.Рейдер (С.М.Rader), Л.Рабинер (L.R.Rabiner), А.И.Тяжев и многие другие ученые.

Проблемы повышения помехоустойчивости и эффективности последовательных систем передачи дискретных сообщений по многолучевым каналам, подверженных действию совокупной помехи является актуальными и в настоящее время. Эти проблемы и составляют объект исследования данной работы. Полученные результаты позволяют использовать разработанные алгоритмы и устройства для защиты от сосредоточенных по спектру помех и действия замираний, приводящих к группированию ошибок в пачки (пакеты) на выходе приемного устройства в многолучевых каналах связи.

Цель работы - разработка алгоритмов адаптивной фильтрации сосредоточенных помех в многолучевых каналах и алгоритмов адаптивного декодирования в последовательных системах передачи дискретных сообщений, предназначенных для повышения эффективности передачи в многолучевых каналах с замираниями, а также практической реализации этих алгоритмов для высокоскоростной последовательной передачи дискретных сообщений по каналам декаметрового диапазона.

Основные задачи исследования.

- Исследование потенциальных характеристик помехоустойчивости оптимального поэлементного приема в каналах с памятью.

- Исследование помехоустойчивости алгоритма ПЦППР при действии реальной обратной связи по решению и наличии сосредоточенной по спектру помехи в канале связи.

- Исследование помехоустойчивости приемника, использующего совмещение операций демодуляции и декодирования.

- Разработка устройств подавления пачек ошибок на выходе демодулятора, основанных на использование адаптивного кодирования.

- Разработка алгоритмов адаптивной фильтрации сосредоточенных помех в многолучевых каналах.

- Разработка цифровых устройств, реализующих оптимальную (субоптимальную) обработку сигналов в канале с памятью.

- Экспериментальное исследование помехоустойчивости разработанных устройств.

Методы исследовании.

Основные результаты диссертации получены на основе применения математического аппарата теории оптимального приема сигналов в стохастических каналах связи, теории оптимальной фильтрации, теории кодирования.

Экспериментальные исследования алгоритмов демодуляции и декодирования проводилось с использованием IBM PC на основе метода статистических испытаний. Язык программирования -Turbo PASCAL v. 7.0. Научная новизна работы заключается в следующем:

- Определены потенциальные характеристики помехоустойчивости поэлементного приема в каналах с МСИ, оптимального по критерию максимума апостериорной вероятности.

- Путем усреднения условных вероятностей ошибки по совокупности предшествующих символов, получены точные формулы для вероятности ошибки алгоритма ПЦППР при любой форме импульсной реакции канала.

- Исследована (методом статистического моделирования на ЭВМ) помехоустойчивость алгоритма ПЦППР с реальной ОСР при вариации длительности интервала анализа. Исследовано влияние ОСР в алгоритме ПЦППР на процесс группирования ошибок.

- Исследовано влияние на помехоустойчивость алгоритма ПЦППР наличия сосредоточенных по спектру помех.

- Исследована помехоустойчивость процедуры совместного выполнения операций демодуляции и декодирования с использованием алгоритма ПЦППР.

- Предложены алгоритмы адаптивной фильтрации сосредоточенных по спектру помех в каналах с памятью при разнесенном приеме.

- Предложен алгоритм адаптивного декодирования сверточного кода в канале с памятью при совмещении операций демодуляции и декодирования по алгоритму ПЦППР.

Практическая ценность.

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение блока совместного выполнения операций демодуляции и декодирования цифрового устройства преобразования сигналов (УПС) при передаче двоичных сообщений по декаметровому каналу с канальной скоростью 2400 бит/с и информационной скоростью 1200 бит/с в полосе канала ТЧ. УПС выполнено с применением цифрового процессора обработки сигналов (ЦПОС) TMS 320с25 и конструктивно представляет собой плату, устанавливаемую на свободный разъем персонального компьютера типа IBM. Проведены лабораторные испытания УПС, показавшие его высокую

помехоустойчивость при совмещении операций демодуляции и декодирования в каналах с памятью.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований являются частью хоздоговорных НИР, проводимых в ОНИЛ 5 при кафедре ТОРС ПИИРС. Разработанные алгоритмы демодуляции двоичных сигналов и фильтрации сосредоточенных помех использованы в

- НИИ "Автоматика" (г. Москва) при создании УПС 1.2 ТЧС для высокоскоростной передачи дискретных сообщений по декаметровому каналу связи.

- ОКБ "Янтарь" (г. Самара) при создании системы сотовой системы связи с подвижными объектами в стандарте GSM.

- учебном процессе кафедры ТОРС ПИИРС при создании новых лабораторных работ по курсам "Теория электрической связи", "Радиотехнические цепи и сигналы".

Использование результатов работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.

Апробация результатов работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались на

- Международной конференции и юбилейной научной сессии РНТО РЭС им. А.С.Попова, посвященных Дню Радио, 1995, (г. Москва),

- Научной конф. ФАПСИ при Президенте РФ "Актуальные вопросы развития защищенных телекоммуникационных сетей связи", 1995г. (г.Орел)

- 1-ой Поволжской науч.-тех. конференции по проблемам двойного применения (РАН, Секция прикладных проблем), 1995г. (г.Самара),

- науч.-тех. конференциях ПИИРС и семинарах секции теории информации Самарского правления НТО РЭС им.А.С.Попова. (1987 - 1995 г.)

Опубликовано 12 печатных работ, из них: 5 статей в журналах, 5 тезисов докладов на конференциях, 2 положительных решения по заявкам на изобретения. Приняты к публикации 4 статьи, что подтверждено справками из редакций.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Основная часть работы содержит 169 страниц машинописного текста, 28 рисунков и 10 таблиц. В библиографию вынесены 134 наименований литературы. На защиту выносятся:

- Новые результаты анализа потенциальной помехоустойчивости оптимального поэлементного приемника.

- Новые результаты анализа помехоустойчивости алгоритма ПЦППР.

- Анализ влияния сосредоточенной по спектру помехи в канале связи на помехоустойчивость алгоритма ПЦППР.

- Анализ помехоустойчивости приемника, использующего совмещение операций демодуляции и декодирования по алгоритму ПЦППР.

- Алгоритмы адаптивного кодирования-декодирования при совмещении операций демодуляции и декодирования.

- Алгоритмы адаптивной фильтрации аддитивных коррелированных помех при разнесенном приеме.

- Структурные схемы алгоритмов функционирования цифрового УПС с канальной скоростью 2400 бит/с (информационная скорость 1200 бит/с) и результаты лабораторных испытаний.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ потенциальной помехоустойчивости оптимального поэлементного приема в многолучевом канале связи. Данный приемник минимизирует апостериорную вероятность символа путем полного перебора гипотез относительно символов до и после анализируемого на интервале многолучевости (памяти). При приеме на фоне "белого" гауссовского шума вычисление вероятности ошибки оптимального приемника связано с анализом распределения весовой суммы коррелированных логнормальных случайных величин. В силу того, что распределение данной суммы в явном виде получить невозможно, использовано разложение искомой плотности вероятности в ряд Эджворта по производным гауссовской плотности, где в качестве коэффициентов разложения выступают квазимоменты р, полученные методами кумулянтного анализа. Преимущество такого подхода основано на том, что хотя сама плотность вероятности не может быть найдена, ее кумулянты (любого порядка) вычисляются довольно просто.

Для вероятности ошибочного перехода 1 -1 при фиксации на передаче совокупности двоичных символов { Ь, }, ;=1,А/-1 следуемых за анализируемым, и использовании "идеальной" ОСР получено выражение:

РН ЗДЪ) = Г £Н) (2д + 1)^ (2л + 1)!' <■>

где /г2 - отношение сигнал/шум на входе приемника: мт

1У(0 ¿1

Л2 = --

'

0.1

0.01

g(í) - импульсная характеристика канала связи, длительностью МТ, Т - длительность тактового интервала, N0 - спектральная плотность мощности БГШ, которое позволяет рассчитать характеристики помехоустойчивости для любого набора символов { 6,}, /=1,Л/-1.

На рис. 1 приведены результа-0 1 2 Ь2 ты расчета с использованием фор-

мулы (1) средней вероятности ошибочного приема символа для Случая М=3 (£0=1, £1-0, £2=1) -кривая 1. Кривая 1 также соответствует бинарной задаче различения гипотез о противоположенных сигналов в неискажающем канале с МСИ и БГШ.

Экспериментальная проверка, выполненная методом статистических испытаний, подтвердила указанное положение кривой 1.

Анализ результатов расчета и моделирования, позволяет сделать выводы о том, что потенциальная рис 1 помехоустойчивость оптимального

поэлементного приемника в канале с памятью практически не отличается от помехоустойчивости приемника Котельникова в эквивалентном однолучевом канале.

Здесь же приведен анализ помехоустойчивости субоптимального алгоритма ПЦППР, согласно которому решение относительно анализируемого символа в детерминированном канале с МСИ, БГШ и использовании линейных видов модуляции записывается в виде:

мт

4 =аге шш{ Ь(0-£ос(0-5у.(0]2Л}, (2)

) о

где г(/) - наблюдаемый сигнал в месте приема; н .

£,«.(0= £ йуй(г-гТ) - сигнал обратной связи по решению, обус-ымм-п

ловленный цепочкой двоичных символов В = {¿у}, по которым уже вынесены решения;

М-1

- опорный сигнал, соответствующий у'-му набору кодовых символов В= { 6,-}] ,у-1,2;'/_.

N ч 2

л

Приводятся точные формулы вероятности ошибочного приема символа для алгоритма ПЦППР. Вывод формул осуществлялся на основе метода приведения квадратичной формы в показателе экспоненты нормальной плотности к диагональному виду.

Использование конечных формул для расчета вероятности ошибочного приема символов для алгоритма ПЦППР позволяет получить характеристики помехоустойчивости для любой формы импульсной реакции канала при произвольных значениях М. На рис.1 кривая 2 характеризует помехоустойчивость алгоритма ПЦППР.

Методом статистических испытаний исследовано влияние длительности интервала обработки на помехоустойчивость алгоритма ПЦППР, а также влияние ОСР на процесс группирования и размножения ошибок на выходе приемного устройства. Показано, что для широкого класса каналов связи при использовании алгоритма ПЦППР при формировании решений об элементах кодовой . комбинации можно ограничиться поэлементным приемом на интервале Та = МТ, что для каналов с большой памятью практически может оказаться единственно возможным способом оптимальной обработки. Показано, что "реальная" ОСР практически не приводит к размножению ошибок на выходе приемного устройства и лишь незначительно ухудшает характеристики помехоустойчивости демодулятора с "идеальной" ОСР. В силу того, что "реальная" ОСР вызывает, в основном, появление сдвоенных и строенных ошибок практически для любого М из интервала 3-10, целесообразно использование простых корректирующих кодов в системах не подверженных внешним воздействиям, которые вызывают появление пачек ошибок большой длины.

Во второй главе рассмотрены некоторые аспекты использования корректирующего кодирования (на примере сверточных кодов), рассмотрены способы обработки кодированного сигнала в каналах с памятью: раздельное и совместное выполнение операций демодуляции и декодирования.

Правило приема при совмещении операций демодуляции и декодирования, основанное на алгоритме ПЦППР при использовании сверточ-ного кода для противоположных сигналов в многолучевом канале с БГШ, имеет вид:

(k+dj+ЩТ

b = arg min{ J [z(t)-g0C{t)-Sj{t)]2dt}, (3)

J kT v '

k+d^-t

где - реализация принимаемого сигнала, соответ-

ствующая j-му набору символов {bk,-.-,bk+d/_,};

- свободное кодовое расстояние сверточного кода.

Приемник, работающий по правилу (3) имеет ряд преимуществ по сравнению с приемником, осуществляющим раздельно демодуляцию и декодирование. Во первых, согласно правилу (3) осуществляется прием "в целом" в канале с памятью ветви сверточного кода,, при котором осуществляется "мягкое" декодирование с использованием евклидовой метрики вместо метрики Хемминга. Во вторых, вводимые в обратную связь решения получены с использованием помехозащищенных свойств сверточного кода, что улучшает качество обратной связи (приближает ее к "идеальной"). В третьих, эта схема имеет малую задержку в принятии решения благодаря объединению демодуляции и декодировании в единый

процесс обработки.

На рис.2 приведены результаты статистического моделирования различных схем приема для случая М-Ъ (£о=1, £1=0, £2=1), сверточный код с ^—5. Кривая 1 соответствует алгоритму ПЦППР без кодирования. Кривая 2 - двухэтапной процедуре обработки кодированного сигнала (первый этап - демодуляция по алгоритму ПЦППР, второй этап - декодирование по алгоритму Витерби). Кривая 3 - совместному выполнению операций демодуляции и декодирования на основе алгоритма ПЦППР, согласно (3).

Анализ результатов моделирования показал, что использование сверточного кода с (/у=5 дает энергетический выигрыш до 3 дБ в широком диапазоне изменения отношения сигнал/шум по сравненшо со случаем, когда кодирование не используется. Совмещение операций демодуляции и декодирования в многолучевом канале с постоянными параметрами дает дополнительный выигрыш до 3 дБ, который в канале с переменными параметрами становиться значительно больше.

Здесь же рассматривается прием с адаптивным декодированием в канале с памятью на основе использования алгоритма ПЦППР при совмещении операций демодуляции и декодирования. Метод адаптивного декодирования предложен для дискретного канала с использованием порогового декодирования Р.Галлагером и предназначен для борьбы с пач-

Рис.2

ками ошибок, обусловленными длительным возмущением канала связи. Суть этого метода заключается в следующем: на передающей стороне в проверочные символы сверточного кода определенным образом "замешиваются" задержанные на L тактов информационные, а собственно адаптация осуществляется на приемной стороне. Адаптация приемника заключается в том, что он в условиях отсутствия пачки ошибок на выходе демодулятора (невозмущенный канал) осуществляет исправление случайных ошибок и остается в этом состоянии до тех пор, пока интенсивность возникновения ошибок не становится слишком большой (возмущенный канал), при которой приемник переключается в режим исправления пачек ошибок, т.е. декодер начинает "работать" по задержанным информационным символам, "замешанным" в проверочные.

В данной работе идеология этого метода перенесена на непрерывный канал с памятью, сигналы на выходе которого обрабатываются по алгоритму .ПЦППР с совмещением операций демодуляции и декодирования. Разработан алгоритм адаптации и реализующая его структурная схема устройства. Проведено сравнительное статистическое моделирование в канале с разными видами возмущений адаптивной схемы-(1), схемы, использующей принцин перемежения-деперемежения кодовых символов-(2) и схемы, выполняющей совместно демодуляцию и декодирование- (3).

О 2 4 6 h 0 50 100 150 h*

На рис.3 приведены результаты моделирования для канала с постоянными параметрами (память М-3), возмущение которого обусловлено периодическим воздействием на вход приемника мощного мешающего сигнала (например, от радиолокатора кругового обзора). Периодичность воздействия-17/197 (т.е. из каждых 197 интервалов Т-17 поражены поме-

и

хой). К - интервал перемежения матричного перемежителя. На рис.4 приведены результаты статистического моделирования для канала с реле-евскими замираниями. Кривая помехоустойчивости приемника с адаптивным декодированием обладают пороговым свойством, причем порог четче проявляется с увеличением Ь. Анализ результатов моделирования показывает преимущество приемника с адаптивным декодированием по сравнению с другими вариантами обработки кодированного сигнала.

В третьей главе рассматриваются возможности адаптивной фильтрации сосредоточенных помех при разнесенном приеме в условиях априорной неопределенности относительно свойств сосредоточенных помех. Здесь приводиться анализ влияния сосредоточенных помех на помехоустойчивость алгоритма ПЦППР. Показано, что при наличии в канале флуктуационной и сосредоточенной помехи приемник, не имеющий средств защиты от сосредоточенных помех, теряет помехоустойчивость и энергетический проигрыш быстро увеличивается с ростом отношения помеха/шум и ширины спектра сосредоточенной помехи. Результаты проведенного анализа свидетельствуют о необходимости создания средств защиты от сосредоточенных помех. Так, в этой главе показано, что таким устройством может являться адаптивный фильтр (АФ), включенный по схеме рис.5, представляющий собой трансверсальный фильтр (рис.6), коэффициенты усиления которого регулируются сигналами обратной связи с выхода схемы фильтрации. Регулировка может осуществляться, например, алгоритмам наименьших квадратов:

\Уш=\Ук + 2\1гкХк, (4)

где д - константа, характеризующая устойчивость и скорость сходимости алгоритма (0 < ц < 1).

Рис. 5 Рис- 6

Показано, что адаптивный фильтр позволяет подавить сосредоточенную помеху в верхней ветви разнесения схемы рис.5 в случае, когда

полезные сигналы л(/) и 5г(0 не коррелированы (ЯА- =0) в ветвях разнесения, а помехи £,|(г) и ЗДО - коррелированы (7^=1). Этот вывод справедлив при любой форме энергетического спектра помехи, даже совпадающей с формой спектра полезного сигнала, и при любых ее статистических характеристиках. Отклонение от "идеальных" условий существенно ухудшает показатели адаптивной фильтрации. Наличие некоторой априорной информации о свойствах фильтруемого процесса и возможности разнесенного приема позволяют улучшить качество оценки, формируемой адаптивным фильтром в схеме рис.5.

Здесь предложено использовать метод адаптивного формирования "лучей" диаграммы направленности антенной решетки, основанный на применении алгоритма Гриффитса:

Шш=1Ук + г\а{Р-укХк), (5)

где Р= с1к Хк - матрица значений взаимокорреляционной функции отсчетов полезного и входного сигналов, для создания ш-мерного адаптивного фильтра, получающего оценку процесса по критерию минимума среднеквадратической ошибки (т- число ветвей разнесения). Схема матричного АФ при т=2 представлена на рис.7, где гк - вычислитель отсчетов функции взаимной корреляции г\(/) и 22(0, "АГ" - алгоритм Гриффитса, УФ - усредняющий фильтр, МУ -масштабный усилитель.

Рис. 7

Эффективность данной схемы, оцененная энергетическим выигрышем, в 2 раза выше эффективности простой схемы адаптивной фильтрации. Моделирование на ЭВМ подтвердило сделанные выводы относительно эффективности подавления коррелированных помех матричным адаптивным фильтром при любой форме энергетического спектра помехи.

В четвертой главе описана функциональная схема устройства преобразования сигналов (УПС 1,2/2,4 ТЧС), предназначенного для передачи двоичных сообщений по составному каналу связи (радиоканал декаметрового диапазона + проводной канал) в полосе канала ТЧ со скоростью 1200/2400 бит/с. В комплекс аппаратуры кроме модулятора и демодулятора, составляющих основу УПС и характеризующих степень его согласованности с каналом связи, входит также ряд блоков, обеспечивающих надежное с высокой достоверностью передачи функционирование УПС в целом (блок синхронизации, блоки автоматической регулировки усиления, автоматической подстройки частоты, блоки, обеспечивающие решение задачи первоначального оценивания импульсной реакции, а также задач вхождения в связь и ряд других).

УПС 1,2/2,4 ТЧС образует одноканальнуго (последовательную) синхронную систему передачи двоичной информации с характеристиками: информационная скорость передачи - 1200, 2400 бит/с, канальная скорость передачи - 1600,3200 бит/с, полоса занимаемых в канале частот -300...3400 Гц, вид модуляции: ФМ, ФМ с частично подавленной боковой полосой, код систематический, сверточный с R=1/2.

В основу функционирования УПС положен алгоритм ПЦППР с совмещением операций демодуляции и декодирования. Объединение указанных процессов достигается тем, что сравнение принятой реализации сигнала осуществляется не со всеми возможным на длительности интервала анализа реализациями сигнала, а лишь с теми реализациями, которые порождены кодовыми последовательностями выбранного свер-точного кода. Причем формирование каждой из этих кодовых последовательностей выполняется кодером сверточного кода, аналогичного кодеру на передаче, включенным в цепь обратной связи. Такое формирование осуществляется из последовательности уже зарегистрированных (предшествовавших рассматриваемому интервалу анализа) информационных посылок и одной из всех возможных комбинаций информационных посылок, найденной на данном интервале анализа. В блоке формирования сигнала предискажения также используются посылки кодовой последовательности, формируемой на выходе того же кодера сверточного кода, на вход которого поступают решения о символах, предшествующих интервалу анализа.

Для реализации УПС 1,2/2,4 ТЧС выбран ЦПОС семейства TMS -TMS 320с25, выполняющий операции с 16 разрядными двоичными числами с длительностью такта обработки 100 не. Конструктивно УПС представляет собой плату, устанавливаемую на свободный разъем IBM PC. Цепи стыка соответствуют стандарту RS-232. УПС обеспечивает обмен информацией между любыми персональными компьютерами типа

IBM PC в дуплексном и полудуплексном режимах, осуществляя переспрос искаженных информационных блоков.

В лабораторных испытаниях использовался полудуплексный режим работы УПС (односторонняя передача), при котором сигнал с выхода модулятора одного комплекта подавался на тональный вход имитатора ИРК-2 (двухлучевого имитатора радиоканала). С выхода ИРК-2 тональный сигнал подавался на вход приемного (другого) комплекта УПС. В качестве источника информации использовалась псевдослучайная последовательность с периодом 127 посылок.

В качестве базы для сравнения взят цифровой УПС 1,2 ТЧС (разработка ОНИЛ 5 кафедры ТОРС ПИИРС). Лабораторные испытания продемонстрировали очевидное преимущество цифрового УПС 1,2/2,4 ТЧС во всех режимах испытаний.

В Приложении 1 приведена программа, написанная на языке ассемблера TMS 320с25, работы блока совместного выполнения операций демодуляции и декодирования цифрового устройства преобразования сигналов.

В Приложениях 2, 3, 4 приведены документы, подтверждающие внедрение и использование результатов диссертационной работы.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ.

1. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Прием с адаптивным декодированием в каналах с памятью // В сб.: Тезисы докладов Международной конференции и юбилейной научной сессии РНТО РЭС им. А.С.Попова, посвященных Дню Радио - г.Москва, 1995.

2. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Адаптивная фильтрация сосредоточенных помех в каналах с переменными параметрами при разнесенном приеме // В сб.: Тезисы докладов научной конференции ФАПСИ при Президенте РФ "Актуальные вопросы развития защищенных телекоммуникационных сетей связи" - г.Орел, 1995.

3. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Адаптивное кодирование в канале с памятью II В сб.: Тезисы докладов 1-ой Поволжской научно-технической конференции по проблемам двойного применения (РАН, Секция прикладных проблем) - г.Самара, 1995.

4. Мишин Д.В. Моделирование алгоритмов адаптивного подавления помех на ЭВМ II В сб.: Тезисы докладов научно-технической конференции проф.-преп. и инж.-тех. состава ПИИРС - г.Самара, 1994.

5. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Адаптивное кодирование в канале с памятью // В сб.: Тезисы докладов научно-технической конференции проф.-преп. и инж.-тех. состава ПИИРС, посвященной 100-летию радио - г.Самара, 1995.

6. Мишин Д.В. О распределении весовой суммы логнормальных случайных величин в задачах обработки сигналов // Сб. трудов учебн. заведений связи. - 1995. - N160. - с.23-30.

7. Мишин Д.В. О влиянии длительности интервала обработки на помехоустойчивость алгоритма "приема в целом с поэлементным принятием решения" // Сб. трудов учебн. заведений связи. - 1996. - N162.

8. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Рекуррентная процедура решения задачи демодуляции методом "погружения" в каналах с памятью //ТУИС, 1992, N156, с.3-7.

9. Мишин Д.В., Карташевский В.Г. Анализ потенциальных возможностей замены различения оцениванием в канале с памятью методом статистических испытаний // Сб. трудов учебн. заведений связи. -1994, N158, с.115-118.

10. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Анализ помехоустойчивости демодуляции в канале с памятью при замене различения оцениванием //Радиотехника. 1994, N10, с.73-76.

11. Устройство демодуляции двоичных сигналов / В.Г.Карташев-ский, Д.В.Мишин - Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке N5015938/09 от 15.06.95 с приоритетом от 22.07.91.

12. Устройство для демодуляции двоичных сигналов / Д.В.Мишин, В.Г.Карташевский - Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке N94021079/09 от 30.01.96 с приоритетом от 07.06.94.

К печати приняты следующие работы:

1. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. "Непереборный" алгоритм демодуляции для канала с памятью // Радиотехника, N4, 1996.

2. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Прием с адаптивным декодированием в канале с памятью // Радиотехника, 1996, 1 -2 квартал

3. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Адаптивная фильтрация сосредоточенных помех по оценочно-корреляционному принципу // Электросвязь, 1996,1-2 квартал

4. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Компенсация аддитивных помех в последовательных системах с обратной связью по решению //Радиотехника, 1996, 1-2 квартал