автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Анализ характеристик качества и синтез субоптимальных алгоритмов обработки сигналов при последовательной передаче дискретных сообщений по каналам с межсимвольной интерференцией

На правах рукописи

Государственный комитет РФ по связи и информатизации Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики

АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА И СИНТЕЗ СУБОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧЕ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ ПО КАНАЛАМ С МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ

Специальность 05.12.13. - Системы и устройства радиотехники и связи

Г8 ОД

Хабаров Евгений Оггович

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Самара 1998

Работа выполнена в Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (ПГАТИ, г. Самара).

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Даниил Давидович Кловский. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Анатолий Иванович Тяжев. кандидат технических наук, доцент

Борис Алексеевич Есипов. Ведущее предприятие: Самарский отраслевой научно-исследовательский институт радио (СОНИИР).

Защита диссертации состоится « / » 1998 г.

в ^ час, на заседании Диссертационного совета К 118.10.01 Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л. Толстого 23.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим отправлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики.

Автореферат разослан

иС/иС 1998 г.

/ Учёный секретарь Диссертационного совета доктор технических наук, профессор

О.Н. Маслов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Актуальной задачей теории и техники связи остаётся повышение помехоустойчивости и эффективности систем передачи дискретных сообщений по каналам с межсимвольной интерференцией (МСИ), вызванной временным рассеянием единичных элементов принимаемого сигнала и обусловленной как многолучевым распространением сигнала, так и ограничением полосы занимаемых сигналом частот при передаче со скоростью, превышающей т.н. скорость Найквиста.

Типичным примером канала с многолучевым распространением может служить декаметровый (ДКМВ) канал связи. Данный канал характеризуется как диффузной, так и дискретной многолучёвосгью, вызванной отражением от различных слоёв ионосферы, а также быстрым изменением параметров канала связи, вызванным интерференционными замираниями. Несмотря на бурное развитие альтернативных видов связи (в том числе радиорелейной, кабельной, спутниковой, оптической и т.д.), коротковолновая связь сохраняет важное практическое значение. К её достоинствам следует отнести возможность установления связи на большие расстояния без применения ретрансляции при ограниченной мощности передатчика, а также возможность поддержания связи с движущимися объектами. В настоящее время декаметровый диапазон интенсивно используется для низко- и среднескоростной передачи дискретных сообщений в большинстве морских коммуникационных систем, систем дипломатической, военной связи, для связи в чрезвычайных ситуациях, а также для передачи метеорологических прогнозов. Вместе с тем зарубежные экономические исследования показывают, что в тех случаях, когда необходимо поддерживать значительный поток сообщений в течение суток, затраты при использовании ДКМВ связи оказываются существенно меньшими, чем при использовании спутниковой связи. Последние годы характеризуются достаточно бурным развитием за рубежом нового поколения модемов, предназначенных для передачи данных по декаметровым каналам связи последовательными методами. В настоящее время признанным мировым лидером по производству оборудования для ДКМВ связи является американская корпорация HARRIS, которая является поставщиком министерства обороны США, а также более чем 100 крупных корпоративных клиентов по всему миру. Несмотря на достижения последних лет, качество связи по декаметровым каналам является не всегда достаточным для передачи некоторых видов дискретных сообщений (например, при факсимильной связи). Таким образом, анализ характеристик качества и синтез алгоритмов демодуляции и декодирования применительно к ДКМВ -каналам представляет собой достаточно актуальную задачу, имеющую как теоретическое, так и практическое значение.

Другим исключительно важным примером канала связи с многолучевым распространением являются каналы сотовой системы подвижной связи. Причиной многолучевого распространения сигналов в этой системе является отражение сигналов от различных объектов на местности (холмов, зданий, металлоконструкций, и т.д.), а причиной изменения параметров канала связи во времени - проявление эффекта Доплера при связи между движущимися объектами.

Ещё одним важным примером системы с многолучевым распространением являются системы тропосферной связи. В силу высоких скоростей передачи (до десятков мегабит/с) и существенных интервалов рассеяния разработка алгоритмов демодуляции для таких систем представляет собой исключительно сложную теоретическую и инженерную задачу. В основе существующих в настоящее время таких демодуляторов лежит волноводная техника и методы адаптивной линейной коррекции. Альтернативным путём решения указанной задачи может быть разработка «экономных» субоптимальных алгоритмов демодуляции совместно со специализированными процессорами повышенного быстродействия.

В процесс становления и развития теории и техники передачи дискретных сообщений по каналам с многолучевым распространением внесли свой вклад такие учёные, как К.Хелстром, Р.Кеннеди, Л.М.Финк, В.С.Мельников, В.И.Тихонов, Т.Кайлат, Д.Д.Кловский, М.С.Ярлыков, КАбенд и Б.Фритчман, М.Дигоро, И.А.Цикин, Н.П.Хворостенко, Г.Унгербоек, А.И.Фалько, Н.Е.Кириллов, Ю.Б.Окунев, Б.И.Николаев, В.В.Гинзбург, В.Г.Карташевский, Ю.В.Алышев.

Следует отметить, что широкие возможности для разработки современных высокоэффективных систем передачи дискретных сообщений по каналам с МСИ открыли методы последовательной (одноканальной) передачи. В некоторых случаях канальный сигнал в таких системах (например, в системе цифровой сотовой мобильной радиосвязи по общеевропейскому стандарту GSM) создаётся за счёт временного уплотнения сигналов многих пользователей.

Данная диссертационная работа находится в русле исследований, проводимых в течение многих лет на кафедре ТОРС ПГАТИ под руководством Д.Д.Кловского. В основе этих работ лежат идеи, выдвинутые Д.Д.Кловским в конце 50-х и начале 60-х годов по периодическому зондированию и оптимальной обработке принимаемого сигнала с нулевой задержкой в принятии решения и при использовании обратной связи по решению (ОСР). Логическим развитием этих идей был синтез в конце 60-х годов субоптимального алгоритма приёма в целом с поэлементным принятием решения (алгоритма Кловского-Николаева (АКН)) с произвольной задержкой в принятии решения.

В существующих системах связи повышение удельной скорости передачи информации осуществляется, как правило, за счёт повышения позиционности используемого кода. При этом удельная канальная скорость

передачи (скорость модуляции) ограничивается скоростью Найквиста. В этом плане принципиальный интерес представляет исследование возможности повышения удельной скорости передачи информации не только за счёт увеличения позиционности используемого кода, но и за счёт повышения удельной скорости модуляции. Следует отметить, что в литературе неоднократно рассматривался вопрос о передаче дискретных сообщений со сверхнайквистовской скоростью модуляции. В работах В.Таллера, Д.Тафтса, Д.Д.Кловского, Л.М.Финка, А.В.Михайлова, Г.Мазо и X. Марко указывалось на принципиальную возможность передачи дискретных сообщений со скоростью «быстрее Найквиста».

Цель диссертационной работы.

Оценка потенциальной помехоустойчивости при отсутствии информационной избыточности некоторых видов модуляции (система ФМ-2 при различных формах огибающей единичного элемента принимаемого сигнала, ММС, ФМ-4 и ОБП) при последовательной передаче дискретных сообщений по каналам с многолучевым распространением, а также по каналам с ограниченной полосой пропускания.

Оценка потенциальной помехоустойчивости системы ФМ-4 со свёрточным кодированием при наличии и отсутствии перемежения символов в стохастических каналах с многолучевым распространением.

Синтез субоптимальных алгоритмов демодуляции для последовательных систем связи в каналах с МСИ, обусловленной как многолучевым распространением, так и ограничением полосы пропускания.

Синтез алгоритма совместной демодуляции-декодирования (СДЦ) для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов применительно к декаметровым каналам связи.

Инженерная реализация некоторых узлов последовательного модема, предназначенного для передачи дискретных сообщений по ДКМВ каналам связи с информационной скоростью 1,2 кбит/с.

Основные задача исследования.

Расчёт дистанционных и вероятностных характеристик качества сигнальных систем ФМ-2 при различных формах огибающей единичного элемента принимаемого сигнала, ММС, ФМ-4 и ОБП для многолучевого канала связи с фиксированными и случайно изменяющимися параметрами.

Расчёт вероятностных характеристик сигнально-кодовой

конструкции (СКК) на основе ФМ-4 и свёрточного кода со скоростью

для многолучевого канала связи со случайно меняющимися параметрами.

Расчёт дистанционных характеристик двоичной системы противоположных сигналов при отсутствии информационной избыточности

применительно к одно- и многолучевым каналам связи при повышенной удельной скорости модуляции.

Совместная оптимизации удельной скорости модуляции и

. бит -

позиционности кода при удельной скорости передачи информации 4- и

с-Гц

бит

6-.

с-Гц

Инженерная реализация АКН с учётом особенностей современной элементной базы.

Синтез субоптимального алгоритма демодуляции на основе метода последовательного поиска с пониженным числом перебираемых альтернатив.

Синтез субоптимальных алгоритмов демодуляции для канала связи с ограниченной полосой пропускания с уменьшенным числом перебираемых альтернатив за счёт предварительного линейного преобразования сигнала.

Синтез двухэтапного алгоритма СДД для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов для декаметрового канала связи.

Методы исследования.

В работе используются методы теории вероятностей и теории случайных процессов, теории конечномерных линейных пространств, а также методы теории оптимального приёма.

Проверка результатов исследования осуществлялась путём имитационного моделирования на компьютере и натурного эксперимента (лабораторных и трассовых испытаний).

Научная новизна.

Результаты сравнительного анализа дистанционных и вероятностных характеристик некоторых систем модуляции (ФМ-2, ММС, ФМ-4 и ОБП) при отсутствии информационной избыточности для многолучевого канала связи с фиксированными и случайно меняющимися параметрами.

Расчёт вероятностных характеристик для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов в каналах с МСИ.

Анализ дистанционных характеристик для двоичной системы противоположных сигналов при отсутствии информационной избыточности и повышенной удельной скорости модуляции для каналов с многолучевым распространением.

Результаты совместной оптимизации удельной скорости модуляции и позиционности используемого кода при удельной скорости передачи

, бит „ бит

информации 4- и 6-.

с-Гц с-Гц

Корреляционный вариант реализации АКН с рекуррентным вычислением достаточных статистик, позволивший свести к минимуму необходимый объём вычислительных операций при полном переборе всех возможных альтернатив.

Алгоритм демодуляции для каналов с многолучевым распространением, в основе которого лежит метод последовательного поиска, требующий уменьшенного количества перебираемых альтернатив.

Двухэтапный алгоритм совместной демодуляции-декодирования (СДД) для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов в декаметровом канале связи, предполагающий на первом этапе вычисление первичных метрик согласно АКН, и осуществляющий на втором этапе поиск наиболее вероятного пути по кодовой решётке (на основе алгоритма Витерби).

Практическая ценность работы.

Полученные дистанционные и вероятностные характеристики различных сигнальных конструкций могут быть использованы при разработке высокоэффективных модемов, предназначенных для работы в каналах связи с многолучёвостью и ограничением полосы пропускания.

Предложенные алгоритмы демодуляции позволяют реализовать субоптимальные решающие правила для широкого класса последовательных систем связи на основе современной элементной базы.

На основе полученных результатов разработан ряд узлов цифрового модема СИИП-1200, успешно прошедшего лабораторные и трассовые испытания.

Реализация результатов работы.

Научные результаты, представленные в диссертации, использовались в следующих хоздоговорных НИОКР, проводимых ПГАТИ (ПИИРС), а также МП «МОДЕМ»:

- в НИР «Исследование принципов построения высокоскоростной тропосферной станции», проведенной ПИИРС по заказу МНИРТИ (г. Москва);

- в ОКР «Исследование и разработка алгоритмического и программного обеспечения применительно к системам подвижной связи, соответствующих стандарту GSM, проведённой МП «МОДЕМ» по заказу Ассоциации «СМАРТС» и ОКБ «ЯНТАРЬ» (г. Самара);

- в работах, проведённых МП «МОДЕМ» совместно с АООТ НИИ "Автоматика" по договору «На разработку методов повышения помехоустойчивости цифрового модема СИИП-1200 для передачи дискретных сообщений по коротковолновым ближним горным трассам»;

Использование результатов работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной НТК «Проблемы космической радиосвязи» в г. Москве в 1979 г., на Всесоюзной научной сессии НТО РЭС им A.C. Попова в 1981г. (г. Москва), на VIII Всесоюзной конференции по кодированию и передаче информации АН СССР в г. Куйбышеве в 1981г., на VIII симпозиуме по проблеме избыточности в информационных системах АН СССР в г. Ленинграде в 1983г., на Всесоюзной НТК «Проблемы космической радиосвязи» в г. Калуге в 1983г., на II Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» в г. Зеленограде в 1995 г., на LI научной сессии, посвященной дню радио, НТО РЭС им A.C. Попова в 1996г (г. Москва), на Всероссийской НТК «Автоматизированные системы при строительстве и эксплуатации зданий, сооружений и проектов жизнеобеспечения» в г. Самаре в 1996г., на Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава в г. Самаре в 1997г, на Ш научной сессии, посвященной дню радио, НТО РЭС им A.C. Попова в 1997г (г. Москва).

Публикации.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 17 печатных трудах, из которых 3 - авторские свидетельства СССР.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы.

Основная часть работы содержит 197 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 9 таблиц. В библиографию внесены 117 наименований.

Основные положения, выиосимые на защиту.

Дистанционные и вероятностные характеристики ряда систем модуляции (ФМ-2, ММС, ФМ-4 и ОБП) при отсутствии информационной избыточности для каналов с многолучевым распространением.

Вероятностные характеристики сигнально-кодовой конструкции

(СКК) на основе ФМ-4 исвёргочного кода со скоростью Д®1 многолучевого канала связи со случайно меняющимися параметрами.

Дистанционные характеристики двоичной системы противоположных сигналов при отсутствии информационной избыточности и повышенной удельной скорости модуляции для каналов с многолучевым распространением.

Результаты совместной оптимизации удельной скорости модуляции и позиционности используемого кода при удельной скорости передачи

, бит „ бит

информации 4- и 6-.

с-Гц с-Гц

Результаты экспериментального исследования передачи дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции.

Инженерная реализация АКН для канала связи с многолучевым распространением при полном переборе всех возможных альтернатив.

Субоптимальный алгоритм демодуляции для канала связи с многолучевым распространением при пониженном количестве перебираемых альтернатив на основе метода последовательного поиска.

Субоптимальные алгоритмы демодуляции для канала связи с ограниченной полосой пропускания при пониженном количестве перебираемых альтернатив за счёт применения предварительного линейного преобразования сигналов.

Двухэтапный алгоритм совместной демодуляции-декодирования (СДД) для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов применительно к декаметровому каналу связи.

Результаты лабораторных и трассовых испытаний последовательного модема СИИП-1200 для декаметровых каналов связи.

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 положения, выносимые на защиту.

Основной задачей первой главы является исследование качественных показателей ряда сигнальных систем в условиях многолучевого канала с замираниями. В разделе 1.2 рассматриваются границы средней вероятности ошибки на бит в каналах с рассеянием и случайно изменяющимися параметрами и АБГШ при демодуляции согласно АКН:

а о = arg nün||zj -Х*||2 + Jz^ - Y,||2 j к = 1,2 .. mD+1 (1)

где z'x, Zy - соответственно векторы синфазной и квадратурной

составляющих принимаемого сигнала с учётом ОСР;

XkYk - векторы составляющих опорного сигнала;

к - номер перебираемой альтернативы;

а 0 - значение первого символа а^ 0 цепочки символов як длины

Э +1, которая минимизирует правую часть (1); О -задержка в принятии решения; т - позиционность используемого кода.

При равновероятных передаваемых символах средняя вероятносп ошибки на один сигнальный элемент при использовании такого алгоритм; определяется следующим образом:

П=Л1НиП(«ио* -и,,!2 <|и,4 -и0п||211, (2)

т к=\ [;=1л=1

где - векторы полезной части анализируемого сигнала,

соответствующие различным статистическим гипотезам о символе а0 ; 1,к,п -номера последовательностей сопровождающих символов. Из (2) можно получить следующую верхнюю границу для вероятности ошибки при демодуляции по алгоритму (1):

! (2^-1)" о

р0=^5- Г П^-Ы)^

1

(3)

где СМ*) ~ .— \е 2 йи - дополнительная функция ошибок; л/2п{

(1п - евклидова метрика между сигнальными точками, которые соответствуют различным значениям символа а0;

с,„ е|с; ; с}-=-(»1-1)+_/|; у=0,1,..2(от-1) - символы, определяющие разностный вектор;

Ый - спектральная плотность мощности аддитивного шума на положительных частотах.

Наряду с (3) можно использовать оценку, определяемук «наихудшими» комбинациями сопровождающих символов для анализируемой и опорного сигналов:

Р0 = +]Ч-и1у|2<||и0^ -и0*г } (4)

Ещё одну, очень простую оценку Р0 < Р0 можно получить, если и учитывать влияние сопровождающих символов. При таком подход вероятностные характеристики сигнальной системы однозначно определяются энергией единичного элемента принимаемого сигнала.

Представленные оценки справедливы при постоянных (фиксированных параметрах канала связи. Для расчёта характеристик стохастического канала

необходимо усреднить полученные оценки по всем возможным состояниям канала связи. Соответствующие соотношения приводятся в разделе 1.2.2.

При сравнительном анализе сигнальных систем можно использовать и дистанционную характеристику, определяемую минимальной нормой вектора разностного сигнала

(5)

которая является мерой различимости принимаемых сигналов, соответствующих различным статистическим гипотезам.

В разделе 1.3 приведены соотношения для дистанционных характеристик применительно к конкретным видам модуляции: ФМ-2 (двоичная система противоположных сигналов); однополосная модуляция (ОБП); ФМ-4; модуляция с минимальным сдвигом (ММС);ФМ-2 с биимпульсной огибающей, ФМ-2 с огибающей в виде составного сигнала.

В разделе 1.4. приводятся дистанционные и вероятностные характеристики качества для перечисленных видов модуляции.

В разделе 1.4.1. анализируется влияние на величину таких параметров, как количество лучей и их интенсивность, фазовые сдвиги по несущей частоте для отдельных лучей, и число сопровождающих символов.

Зависимость величины ¿/¿^ для различных систем модуляции от фазового сдвига по второму лучу при фиксированных параметрах первого луча для двух лучевого канала с интерферирующими лучами приведены на рис. 1.

Дистанционные характеристики различных систем модуляции:

1 - ФМ-4; 2 - ОБП ; 3 - ФМ-2; 4 - ММС; 5 - ФМ-2 с биимпульсной огибающей, 6 - ФМ-2 с огибающей в виде составного сигнала.

Рис.1.

В разделе 1.4.2. представлены вероятностные характеристики указанных видов модуляции как для каналов с фиксированными параметрами, так и для стохастических каналов связи, описываемых общей гауссовской моделью. На рис.2, изображены графики зависимостей различных ввдов оценки вероятности ошибки применительно к системе ФМ-2 при фиксированных параметрах двухлучевого канала связи с интерферирующими лучами (фиксируются значения квадратурных компонент коэффициентов передачи по каждому из лучей х1,уих2,у2и задержка между лучами %).

Из сравнительного анализа представленных кривых следует, что при небольшой задержке между лучами оценка вероятности ошибки по "наихудшей" комбинации разностного сигнала (т.е. вероятность перехода между двумя ближайшими комбинациями, соответствующими различным статистическим гипотезам) Р0 незначительно отличается от усреднённой вероятности Р0. Что касается оценки вероятности ошибки Р0, не учитывающей влияние сопровождающих сигнальных элементов, то она также незначительно отличается от вероятностей Р0 и Р0 .

Для каналов с разделяющимися лучами (т > Т) степень различия между зависимостями Р0 {и^ ^, Д(Ло)> ^о (^о) выражена ещё слабее.

Из полученных результатов следует, что в многолучевом канале связи при обработке по АКН помехоустойчивость последовательной системы достаточно точно определяется энергией единичного элемента принимаемого сигнала. Данное обстоятельство имеет исключительно важное практическое значение, поскольку позволяет существенно упростить анализ помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений по каналам со случайно изменяющимися параметрами.

Вероятностные характеристики системы ФМ-2 применительно к

двухлучевому каналу связи с постоянными параметрами: х, = 1; у, = 0; х2 = -1; у2 = 0; х = 0.25Т.

1-р(й02); 2-?(й02); 3-Р(Л02).

Рис.2.

В первой главе представлены также вероятностные характеристики системы ФМ-2 в канале со случайно изменяющимися параметрами. При этом рассматривались как однолучевой канал с замираниями, так и двухлучевой канал с различной задержкой между двумя независимо замирающими лучами.

При расчёте характеристик использовалась оценка Р0, которая усреднялась по случайным параметрам канала. Полученные результаты показали, что появление второго луча и переход от односторонне-гауссовского к релеевскому каналу способствуют улучшению помехоустойчивости последовательных систем связи, причём наилучшее качество достигается в канале с разделяющимися лучами.

На рис.3, представлены вероятностные характеристики (вероятность ошибки на бит) перечисленных выше сигнальных конструкций для канала с интерферирующими лучами.

Из сравнительного анализа представленных кривых следует, что более широкополосные системы в канале с интерферирующими лучами имеют определённое преимущество, что подтверждается дистанционными характеристиками, представленными на рис. 1. При этом следует отметить, что в канале с разделяющимися лучами различие между приведёнными сигнальными системами выравнивается.

В разделе 1.5. исследуются вероятностные характеристики сигнально-кодовой конструкции, представляющей собой комбинацию системы ФМ-4 и простейшего свёрточного кода со скоростью Л = 1/2, причем рассматриваются случаи совместной демодуляции-декодирования (СДД) как в системах с перемежением символов, так и при отсутствии перемежения.

Вероятностные характеристики некоторых систем модуляции применительно к двухлучевому стохастическому каналу связи односторонне -гауссовского типа

при т = 0.257':

Ръ ю-1

ю-2

ю-3

-3 0 3 6 9 к дБ

1 - ФМ-4, 2 - ФМ-2, ММС, ОБП (кривые совпадают), 3 - ФМ-2 с биимпульсной огибающей, 4 - ФМ-2 с огибающей в виде составного сигнала.

Рис. 3.

При анализе предполагалось, что глубина декодирования составляет конечную величину Д..

В системе без перемежения символов была использована известная оценка на основе вероятности перехода между двумя ближайшими кодовыми путями:

п,г '

\ /

где с1гп г - квадрат расстояния между двумя сигнальными последовательностями с номерами «иг в пространстве Евклида.

В системе с перемежением символов получена следующая оценка ошибочного декодирования кодовой последовательности, ограниченной глубиной декодирования В с:

г г_-^

Р{аг1Ап}*Ргп=<±

гДе т г = пип^г л . -минимальное евклидово расстояние

между элементами последовательностей Аг, А„, вычисленное в пределах локального интервала анализа принимаемого сигнала Т{+ ■, причём

минимум берётся по всем возможным комбинациям сопровождающих символов;

к у, - соответственно номера последовательностей кодовых

векторов, сопровождающих элементы последовательностей Аг, А„,

вычисленные в пределах локального интервала .

В разделе 1.5.4. приведены результаты расчёта средней вероятности ошибки на один бит применительно к следующим сигнальным конструкциям:

- система ФМ-2 (противоположные сигналы) без информационной избыточности;

- система ФМ-4 со свёрточным кодированием без перемежения символьных векторов (использовался простейший свёргочный код с кодовым ограничением равным 2);

1ШПй£г

П,Г

2 N.

(6)

"с

У ,2

¿ш^ тш г, л, у

>=1

2Ып

(7)

- система ФМ-4 со свёрточным кодированием и перемежением символьных векторов.

Помехоустойчивость указанных систем анализировалась применительно к одно- и двухлучевым каналам односгоронне-гауссовского и релеевского типа.

На рис.4, в качестве примера приведены характеристики указанных систем применительно к двухлучевому односторонне-гауссовскому каналу с интерферирующими лучами ( х = 0.25Т ).

Характеристики помехоустойчивости сигнально-кодовых конструкций :

10' I-----^

-з 0 3 6 9 А„2 дБ

1 - ФМ-2; 2 - СКК без перемежения, 3 - СКК с перемежением.

Рис. 4.

Из анализа представленных кривых следует, что в системе без перемежения символов система ФМ-4 со свёрточным кодированием обеспечивает энергетический выигрыш, определяемый евклидовым свободным расстоянием (в данном случае чуть больше 3 дБ).

В свою очередь, система ФМ-4 со свёрточным кодированием и перемежением символьных векторов даёт существенно лучший результат, что указывает на перспективность использования подобных систем в каналах с многолучевым распространением и случайно меняющимися параметрами.

Вторая глава посвящена анализу помехоустойчивости последовательных систем связи при наличии МСИ, обусловленной фактором ограничения полосы занимаемых частот в канале с постоянными параметрами, известными на приёмной стороне.

Разделы 2.1. и 2.2. посвящены постановке задачи и краткому историческому анализу состояния проблемы.

В разделе 2.3. исследуются характеристики качества двоичной системы противоположных сигналов при различных значениях удельной скорости модуляции, причём в разделе 2.3.1. рассматриваются исключительно дистанционные характеристики данной системы.

В отличие от ряда известных публикаций в данном разделе наряду с фактором ограничения полосы учитывается и фактор многолучевого распространения сигнала. Из представленных зависимостей величины <1^, определяемой соотношением (5), от удельной скорости модуляции V применительно к однолучевому и двухлучевому каналам связи следует, чте передача дискретных сообщений по двухлучевому каналу связи с повышенной удельной скоростью модуляции вполне реальна. При этом следует отметить, что интересной особенностью последовательных систем связи при передаче «быстрее Найквиста» является то, что сигнальные пары, наиболее близкие друг к другу в пространстве Хэмминга, не обязательно являются ближайшими в пространстве Евклида - и наоборот.

Из анализа вероятностных характеристик, представленных в разделе 2.3.2, следует, что в системах со сверхнайквистовской удельной скоростьк модуляции V, в отличие от каналов с МСИ, обусловленной многолучевым

распространением, оценки вероятности ошибки /о(^о)> А(^о)>

существенно отличаются друг от друга, причём это отличие усиливается с ростом параметра V.

В разделе 2.3.3 решается задача совместной оптимизации числа уровней и удельной скорости модуляции синхронной последовательностт

видеоимпульсов. Показано, что при удельной скорости передачи р - б

с-Гц

такой подход обеспечивает энергетический выигрыш до 2,5 дБ (прг

вероятности ошибки на один бит порядка 10"4).

В разделе 2.4 приводятся результаты экспериментальногс

исследования процесса передачи двоичных сигналов с повышенной удельно!

скоростью модуляции по стандартному каналу тональной частоты

Проведённые лабораторные испытания подтвердили возможность передач»

_ _ , кбит

двоичными сигналами дискретных сообщении со скоростью 9,6- пс

с

стандартному каналу тональной частоты с качественными показателями сопоставимыми с показателями многопозиционных систем. Вместе с тем полученные результаты лабораторного эксперимента весьма далеки от потенциальных возможностей двоичной системы противоположных сигналов которые исследовались в предыдущих разделах данной главы.

Третья глава посвящена вопросам синтеза субоитимальньи алгоритмов демодуляции при передаче сообщений последовательным» методами по каналам с рассеянием, обусловленным как многолучевым распространением, так и ограничением полосы пропускания.

Разделы 3.1 посвящены постановке задачи и краткой характеристик«

АКН.

В разделе 3.2 рассматриваются возможные пути реализации и анали: вычислительной сложности алгоритма АКН при работе в каналах с временным

рассеянием. Раздел 3.2.1 посвящен вопросам реализации алгоритма приёма в целом с поэлементным принятием решения на основе процедуры поиска минимума евклидова расстояния. Использование перебора по коду Грея, а также применение метода частичных сумм позволило свести к минимуму количество арифметических операций в расчёте на одну альтернативу.

В разделе 3.2.2 рассматриваются реализации АКН на корреляционной основе, который можно представить в следующем виде:

а0=агвМах{\^-|Е*|, (8)

о о о

где \Vjfc = ^а^ Уу и Е4 = ^^"уО^уу представляют собой

v=0 у=0;=0

соответственно линейную и квадратичную псевдобулевы функции от демодулируемого и сопровождающих символов.

Величины Уу представляют собой проекции вектора Z на

направления векторов соответствующих элементов сигнала, вычисленные в пределах интервала анализа. Они содержат всю информацию об анализируемом сигнале и АБГШ в канале связи представляют собой достаточные статистики сигнального вектора Z. представляют собой

скалярные произведения векторов единичных элементов сигнала, сдвинутых на целое число тактовых интервалов (элементы матрицы Грама).

Анализ показывает, что объём вычислительных операций, необходимый при реализации корреляционного варианта АКН, существенно (примерно на порядок) меньше, чем при реализации алгоритма на основе поиска минимума евклидова расстояния.

В этом же разделе приводится рекуррентная процедура вычисления достаточных статистик Уу, обеспечивающая одновременное вычитание последействий от посылок, предшествующих анализируемой.

В третьей главе приводятся также фрагменты программ вычисления и поиска максимума функционала правдоподобия и рекуррентного вычисления достаточных статистик на ассемблере цифрового процессора обработки сигнала ТМ8320с25, а также функциональная схема специализированной БИС, предназначенная для обработки сигналов в последовательных системах связи по правилу обобщённого максимального правдоподобия.

Наряду с минимизацией вычислительных затрат в расчёте на одну альтернативу, большой практический интерес представляет задача синтеза субоптимального алгоритма демодуляции с уменьшенным числом перебираемых альтернатив. В этом плане предложен алгоритм демодуляции, в основе которого лежит метод последовательного поиска. При использовании такого метода множество сопровождающих символов

А-к=[апа2к..аок] (9)

разбивается на Ь подмножеств:

А4=АпЦА24и..иАы (10)

На первом этапе демодуляции осуществляется поиск максимальных значений функционала правдоподобия по каждой из статистических гипотез при переборе' всех возможных вариантов сопутствующих параметров, входящих в первое подмножество Аи. При этом фиксируются пф наиболее

вероятных последовательностей символов, входящих в данное подмножество. На втором этапе осуществляется поиск условных максимумов функционала правдоподобия, полученных при всех возможных вариациях символов, входящих в А2к, при фиксированной цепочке символов, входящих в первое подмножество Аи. Далее процесс продолжается аналогично вплоть до перебора по символам, входящим в А1к. На рис 5. приведена вероятностная характеристика алгоритма

последовательного поиска при

■2, пф= 2,

полученная путем

имитационного моделирования на компьютере (кривая 3).

Для сравнения приведены характеристики АКН, предусматривающего полный перебор всех возможных альтернатив на полном (кривая 1) и укороченном (кривая 2) интервалах анализа.

Из сравнения представленных кривых следует, что при идеальной ОСР алгоритм последовательного поиска практически не уступает «классическому» варианту АКН при существенно меньшем числе перебираемых альтернатив.

Характеристики помехоустойчивости алгоритмов демодуляции.

• 1 ,3 ,2

и; дБ

1 - АКН при Ак = [ахк а2к ..ап],Та = 8Г; Я =

2 - АКН при А к=[а1ка2ка3к], =4Г; 0 = 3;

3 - алгоритм последовательного поиска при Аи = а2к а34], А24 =[а4казка6кап], ТаХ =4Г, £),=3,Га2=8Г; Э2 =7.

Рис.5.

Применительно к каналам связи с постоянными параметрами, но ограниченной полосой пропускания можно применить некоторые другие методы уменьшения числа перебираемых альтернатив. В разделе 3.5 рассматриваются два алгоритма обработай, предполагающие ортогональное проектирование на некоторое конечномерное подпространство, базисом которого являются векторы единичных сигнальных элементов, сдвинутых на целое число тактовых интервалов. Ортогональность этих элементов и, как следствие, базисных векторов обеспечивается за счёт предварительного линейного преобразования анализируемого сигнала, вследствие чего в матрице Грама единичного элемента сигнала появляются нулевые диагонали, позволяющие резко сократить число перебираемых альтернатив.

Четвёртая глава посвящена проблеме синтеза алгоритма совместной демодуляции-декодирования (СДД) в каналах связи с рассеянием и перемежением символов. Основная трудность, на которую наталкивается реализация декодера, заключается в том, что разнесённые во времени сигнальные элементы связаны между собой кодовой связью, а ближайшие друг к другу элементы связаны за счёт межсимвольной интерференции. С учётом данного обстоятельства оптимальное декодирование принимаемой последовательности требует неприемлемо большого количества перебираемых альтернатив.

Использование в качестве интервала анализа совокупности непересекающихся локальных интервалов и предположение о статистической независимости реализаций аддитивной помехи на этих интервалах позволило предложить следующий алгоритм СДД:

А, = ащ ппп

п

II

(П)

где , -соответственно векторы анализируемого и

опорного сигналов, ограниченных во времени локальным интервалом анализа с номером /;

к у- номер последовательности сопровождающих символов на локальном интервале анализа с номером /. Процесс декодирования согласно (10) включает в себя два этапа. На первом этапе осуществляется вычисление первичных метрик

- „ ^ | по АКН. На втором этапе осуществляется поиск

наиболее вероятного пути по кодовой решётке (здесь целесообразнее применить алгоритм Витерби).

В пятой главе приводятся основные принципы инженерной реализации, а также результаты лабораторных и трассовых испытаний цифрового модема СИИП-1200, предназначенного для передачи дискретных сообщений по ДКМВ-каналам связи.

4=

Одной из главных особенностей разработанного модема является поблочный метод передачи информации. Временная диаграмма, характеризующая структуру отдельного передаваемого блока, изображена на рис. 6.

Передаваемый блок состоит из 32-х кадров, каждый из которых включает в себя 384 двоичных посылки, причем первые 96 посылок представляют собой тестовую (испытательную) комбинацию ТК, а последующие - информационный пакет (ИП). Кроме того, перед каждым блоком передаются специальная маркерная последовательность (преамбула) ПРМБ и последовательность подстройки частоты (ППЧ), включающие в себя 384 посылки каждая. Преамбула представляет собой псевдослучайную последовательность, в алгоритм обнаружения которой заложен автокорреляционный принцип. Пакет подстройки частоты содержит в себе 384 однополярные посылки, что обеспечивает концентрацию ее текущего спектра вокруг несущей частоты /0 -1600 Гц. Тестовая (испытательная) комбинация представляет собой 72-битовый отрезок псевдослучайной последовательности, защищенный с обеих сторон 12-разрядными пассивными паузами. На основе тестовой комбинации осуществляется оценка реакции канала связи на единичный сигнальный элемент и, кроме того, действует система синхронизации по тактовой частоте, в основе которой лежит энергетический критерий.

Структура передаваемого блока.

ПРМВ ППЧ ТК ИП ТК ИП

384 Т 384 Т 9в Т 288 Т ее т 288 Т

184 Т 184 Т

Кадр N1 Кадр N32

Рис. 6.

В модеме СИИП-1200 используется двоичная система противоположных сигналов (ФМ-2). При этом следует отметить, что выбор

несущей частоты, численно равной скорости модуляции /0 = V = = 1,6 кГц

позволяет осуществлять обработку непосредственно на несущей частоте без переноса спектра на уровень видеосигнала.В основе системы демодуляции лежит корреляционная реализация АКН, предполагающая рекуррентное вычисление достаточных статистик, которая рассмотрена в третьей главе.

Разработанный модем обеспечивает обмен информацией между любыми персональными компьютерами типа ЮМ-РС в дуплексном и

полудуплексном режимах, осуществляя переспрос искаженных информационных блоков. Обработка сигнала осуществляется при помощи одного сигнального процессора типа TMS 320с25.

Конструктивно модем представляет собой плату, встраиваемую в персональный компьютер, цепи стыка соответствуют стандарту RS 232.

В разделе 5.3 даны результаты линейных испытаний на магистральной линии связи Москва - Самара (в декабре 1994 г), а также на магистральной шлейфовой линии связи Самара - Москва - Самара (июнь 1997 г.).

Испытания показали, что разработанный модем обеспечивает передачу дискретных сообщений по декаметровой магистральной линии связи с вполне приемлемыми качественными показателями.

С целью оценки характеристик качества разработанного модема и сравнения с аналогичными характеристиками серийной аппаратуры в феврале 1996 г. в г. Москве, в НИИ "Автоматика" были проведены сравнительные лабораторные испытания совместно с модемом АТ3004Д (Монолог).

На рис.7, приводятся результаты испытаний (зависимость коэффициента ошибок от отношения сигнал/шум ко) модемов СИИП и «Монологе в трёхлучевом релеевском канале при квазипериоде замираний, равном 2с.

Характеристики помехоустойчивости

К

ю-2

ю-4

ю-5

з 6 9 Рс/ Рш дБ

1 - «Монолог», 2 - СИИП - 1200.

Рис.7.

Испытания показали, что СИИП-1200 представляет собой достаточно высокоэффективный модем, конкурентоспособный как внутри страны, так и за рубежом.

Вместе с тем, проведённые исследования показывают, что в случае использования помехоустойчивого кодирования и сигнально-кодовых конструкций с перемежением символов, а также при использовании разнесенного приема представленный модем имеет потенциальные возможности для существенного улучшения своих характеристик.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ.

1. Хабаров Е.О. Оценка помехоустойчивости последовательной системы передачи двоичных сигналов со скоростью, превышающей скорость Найквиста //ТУИС «Теория передачи информации по каналам связи»,JL, 1981, С. 142-149.

2. Беляев С.Н., Хабаров Е.О. О помехоустойчивости двоичной системы противоположных сигналов при скорости передачи, превышающей скорость Найквиста. // ТУИС «Теория передачи информации по каналам связи». Л.,1982.

3. Беляев С.Н., Обухов А.А., Хабаров Е.О. К вопросу о передаче сообщений двоичными сигналами со скоростью, превышающей скорость Найквиста.// VII] Всесоюзная конференция по теории кодирования и передаче информации. Тезисы докладов, ч.5, Москва - Куйбышев, 1981.

4. Кловский Д.Д., Хабаров Е.О. О реализации алгоритма субоптимальногс приёма при скорости передачи, превышающей скорость Найквиста. // VII] симпозиум по проблеме избыточности в информационных системах. Тезись: докладов. Л., 1983.

5. Хабаров Е.О. О повышении помехоустойчивости двоичной системы связи с противоположными сигналами при удельной скорости передачи порядка 4 Бод/Гц. // Всесоюзная НТК «Проблемы развития космической связи». Тезись докладов, М., «Радио и связь», 1983.

6. Хабаров Е.О. Оптимизация числа уровней при передаче дискретны? сообщений с высокой удельной скоростью при помощи синхронно» последовательности видеоимпульсов. // ТУИС «Адаптивные системы связи» Л., 1989.

7. Хабаров Е.О. О декодировании сигнально-кодовых конструкций в канала? связи с МСИ и перемежением символов/Юбработка сигналов в системах связи Сб. науч. тр. учеб. завед. Связи/СПбГУТ.-СПб, 1995,-№ 160-С. 127-131.

8. Юртаев С.Т., Хабаров Е.О., Хусаинов М.А. Модем для радиоканала < многолучевым распространением. // Вторая международная научно техническая конференция «Микроэлектроника и информатика». Тезись докладов, М., 1996.

9. Кловский Д.Д., Хабаров Е.О. Метод мягкого декодирования сигнально кодовых конструкций в каналах связи с МСИ и перемежением символов.// L научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов, М., 1996.

10. Кирюшин Г.В., Хабаров Е.О., Шерман А.Ю. Устройство для демодуляцш двоичных сигналов. А.с. №1124446 от 8.03.83.

11. Хабаров Е.О., Обухов А.А., Варыгин В.Н., Беляев С.Н. Устройство да демодуляции двоичных сигналов. А.с. №1124446 от 15.07.84.

12. Каргашевский В.Г., Кловский Д.Д., Обухов А.А.,Хабаров Е.О. А.С.181910< H04L 27/22. Устройство для приема двоичных сообщений в канале i межсимвольной интерференцией; Пр. от 22.11.90;

13. Хабаров Е.О. Некоторые вопросы построения цифрового модема. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава. Тезисы докладов. Самара, 1995 г.

14. Хабаров Е.О. О «мягком» декодировании сигнально-кодовых конструкций в каналах связи с МСИ и перемежением символов. Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава. Тезисы докладов. Самара, 1996 г.

15. Хабаров Е.О. Обнаружение сигнала неизвестной формы на выходе канала со случайными параметрами. Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава. Тезисы докладов. Самара, 1997 г.

16. Кловский Д.Д., Николаев Б.И., Хабаров Е.О., Хусаинов М.А. Последовательный одноканальный модем для декаметрового диапазона. LII научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов 2, М., 1997.

17. Хабаров Е.О., Семёнов A.B. Расчёт помехоустойчивости последовательных систем передачи сигналов фазовой модуляции при свёрточном кодировании в многолучевом радиоканале. Информатика, радиотехника и связь. Сборник трудов учёных Поволжья. Выпуск 3. Самара, 1998.

Корректор Вяткина С.С. Подписано в печать ¿О. ^¿Формат Печать оперативная Ус. п. л. - /"м Уч. из. л. -

Цена договорная. Тираж

Ротапринт ПГАТИ