автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Анализ и многокритериальный выбор узкополосных сигналов в системах передачи данных

На правах рукописи

дт

ЖИЛЬЦОВ Павел Викторович

АНАЛИЗ И МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ВЫБОР УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

-8 АВГ 2013

Москва-2013

005531967

Работа выполнена на кафедре Радиоприёмных устройств ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический Институт» («НИУ «МЭИ»),

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

БОГАТЫРЁВ Евгений Алексеевич

Официальные оппоненты: КУЛЕШОВ Валентин Николаевич

доктор технических наук, профессор,

профессор кафедры Формирования колебаний и сигналов «НИУ «МЭИ»

СТАРИКОВСКИЙ Анатолий Иванович

кандидат технических наук, доцент,

профессор кафедры Радиосистем передачи информации

«МГТУ МИРЭА»

Ведущая организация: ЗАО "Московский Научно-Исследовательский

Телевизионный Институт», г. Москва

Защита состоится 03 октября 2013 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 2*2 » ию/1_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного сов 05

Кандидат технических наук, доцент

Т. И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние десятилетия в мировой радиоэлектронике происходит бурное развитие элементной базы и схемотехнических решений приёмо-передающего радиотехнического оборудования. С учётом развития цифровых стандартов и протоколов связи это приводит к появлению новых систем связи и систем передачи данных (СПД) различного назначения, каналом связи которых является радиотракт. При этом на первое место выходит проблема повышения эффективности таких систем в условиях сильного уплотнения радиоспектра.

Процесс совершенствования элементной базы приемо-передающей аппаратуры позволяет осваивать всё более высокие частоты радиодиапазона (единицы — десятки ГГц). Это, в свою очередь, позволяет размещать в этом диапазоне множество передающих систем. Но реализация систем на таких высоких частотах пока дороже, чем на уже освоенных диапазонах (примерно до 2 ГГц).

Построение системы передачи данных в условиях сильного уплотнения радиочастотного спектра другими системами заставляет обратить пристальное внимание на класс узкополосных сигналов (видов модуляций), используемых для передачи данных по радиоканалу. Спектр таких сигналов наиболее компактен или, другими словами, их спектральная эффективность наиболее высока. Особого внимания заслуживают специализированные системы, в которых решающую роль при выборе сигнала могут играть другие факторы, например, устойчивость к импульсным помехам или высокая надёжность передачи данных. Такими системами, к примеру, могут быть СПД, работающие в условиях значительных индустриальных помех.

Узкополосным считается сигнал, для которого выполняется следующее условие: П/(Оо«1, где П — ширина полосы спектра сигнала, а (Оо — его средняя или несущая частота. Обычно основная мощность таких сигналов (90-99%) сосредоточена в пределах их спектральной полосы шириной (2—4)/Ts, где Ts — длительность символьного интервала. К таким сигналам можно отнести следующие классы сигналов: класс амплитудно-манипулированных (AM) сигналов; класс фазоманипулированных (ФМ) сигналов; класс частотно-манипулированных (4M) сигналов; класс сигналов с непрерывной фазой (СНФ); класс сигналов со смешанной амплитудно-фазовой модуляцией (KAM); класс сигналов со многими поднесущими (СМП). Поскольку сигналы из указанных классов обладают различными, часто противоположными свойствами, то задача выбора сигнала сложна и не всегда решается объективно.

Широкополосные сигналы занимают на порядки большую полосу частот и обычно образуются из узкополосных сигналов, которые затем модулируются вторично цифровой последовательностью с высокой скоростью в соответствии с выбранным методом.

KJ

Существует также особый класс сигналов с широкой полосой, к которым, в частности, относятся шумоподобные и сверхширокополосные сигналы. Они обладают определенными преимуществами перед узкополосными сигналами. Однако именно широкая полоса спектра излучаемого сигнала является принципиальным препятствием для построения множества систем связи, так как радиодиапазон не безграничен.

Особо стоит отметить существенное повышение производительности вычислительных систем в последние годы. Это позволяет во многих случаях заменить сложные аналитические расчёты режимов работы систем и их различных параметров на численное моделирование, анализ результатов которого позволяет, как правило, кроме естественного сокращения временных трудозатрат повысить эффективность работы систем передачи данных. Чем шире круг вопросов, охватываемых моделированием, тем больше эффективность и точность расчётов параметров будущей системы, так как в модель возможно закладывать различные влияющие факторы.

Цели н задачи диссертации

Цель диссертационной работы состоит:

1) В разработке эффективной методики многокритериального сравнения сигналов по их различным характеристикам и выборе оптимального (наилучшего) сигнала при заданных требованиях построения СПД.

2) В разработке эффективного инструмента в виде численной имитационной модели СПД для получения оценки помехоустойчивости приёма сигналов при одновременном воздействии различных факторов.

3) В исследовании свойств сигналов с двойной модуляцией и в определении оптимального сигнала для разработанной на кафедре Радиоприёмных устройств «НИУ «МЭИ» малогабаритной системы сбора, приёма и обработки данных (МСПОД).

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) Исследовать и произвести выбор сигналов с различными способами модуляции для последующего сравнения, которые являются типичными представителями из каждого класса.

2) Определить основные воздействующие на сигнал факторы, приводящие к ухудшению помехоустойчивости приёма.

3) Разработать численную имитационную модель прохождения сигналов через приёмопередающие тракты аппаратуры связи и канал связи, которая учитывает данные воздействия.

4) Сформулировать ряд показателей качества (ПК) сигналов и получить их количественные оценки при помощи численной имитационной модели.

5) Определить модель многокритериального выбора и разработать его методику.

6) Выявить оптимальные сигналы с цифровыми методами модуляции по рассмотренным ПК на примере нескольких типовых задач построения СПД.

7) Рассмотреть пример применения разработанной имитационной модели как эффективного инструмента для получения количественной оценки помехоустойчивости приёма сигналов при одновременном воздействии различных неблагоприятных факторов.

8) Исследовать свойства сигналов с двойной модуляцией и определить их основные преимущества.

9) Выбрать сигнал с повышенной помехоустойчивостью приёма для локальной СПД на примере системы МСПОД.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы, известные из теории цепей и сигналов, общей теории радиосвязи, теории вероятностей, численного компьютерного моделирования, теории спектрального анализа, вычислительной математики, теории случайных процессов и математической статистики, многокритериального выбора.

Научная новизна работы. В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Разработаны алгоритмы и создан комплект программ имитационной модели типовой СПД. Данный комплект является эффективным инструментом, который впервые позволил оценить одновременное влияние ряда факторов на вероятность ошибочного приёма.

2. Разработана эффективная методика сравнения сигналов с различными способами модуляции по их различным свойствам (показателям качества) и при наличии нескольких правил сравнения (многокритериальность) — на основе адаптивной комбинированной ¿л£-постановки. Впервые теория многокритериального выбора использована для решения задачи определения наиболее подходящего способа модуляции сигнала при проектировании СПД с заданными характеристиками.

3. Выявлены основные отличия сигналов с двойным (цифро-аналоговым) способом модуляции от сигналов с одиночным (цифровым) способом модуляции, определены области их применений. Разработаны рекомендации.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием принятых и обоснованных теоретических методов, а также достаточным соответствием количественных результатов по помехоустойчивости приёма большинства рассматриваемых сигналов в условиях воздействия аддитивного белого гауссовского шума, полученных при помощи имитационного моделирования и приведённых в опубликованных аналитических расчётах таких известных учёных и специалистов как Скляр Б., Прокис Дж., Феер К., Волков Н. и др.

Практическая ценность работы. Практические результаты диссертационной работы могут быть использованы для оценки помехоустойчивости приёма сигналов в условиях интенсивных импульсных и селективных помех, а также для учёта других негативных воздействующих факторов в локальных СПД.

Использование результатов диссертационной работы на этапе проектирования СПД позволяет обоснованно выбрать сигнал с цифровым законом модуляции при одновременном учёте основных воздействующих на процесс передачи факторов, что практически неосуществимо аналитическим путём ввиду его высокой сложности.

В диссертации разработан и обсуждается банк сигналов с современными видами цифровой модуляции (для модуляторов и демодуляторов).

Использование результатов работы. Результаты диссертационной работы вошли в два госбюджетных НИР, выполненных на кафедре Радиоприёмных устройств ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», а также использованы в виде рекомендаций для улучшения характеристик диагностического беспроводного информационно-измерительного комплекса ООО НПЦ «Элемент» и в учебном процессе кафедры Радиоприёмных устройств «НИУ «МЭИ», что подтверждается соответствующими Актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 2-й международной научной конференции «Современные информационные системы. Проблемы и тенденции развития» (Туапсе, 2007 г.), X международной научно-практической конференции компании National Instruments (Москва, 2011 г.), 62-й Научной сессии РНТОРЭС, посвященной Дню радио (Москва, 2007 г.); Одиннадцатой и Двенадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2005 г и 2006 г.).

Публикации. Общее число печатных работ по теме диссертации — 9, из них: статей — 3 (в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ); тезисов докладов на научно-технических конференциях — 6.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трёх приложений общим объёмом 233 страницы. Основная часть работы содержит 165 страниц машинописного текста, 74 рисунка и 12 таблиц. Список литературы содержит 75 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Алгоритмы формирования и обработки современных сигналов с узкополосным спектром.

2. Структура и алгоритмы компьютерной имитационной модели типовой СПД, отражающей прохождение сигналов через приёмо-передающие тракты радиоаппаратуры и через канал связи СПД и позволяющей оценивать вероятность ошибочного приёма при различных значениях воздействующих факторов.

3. Методика определения оптимального сигнала и упорядочивания рассматриваемых сигналов по убыванию соответствия задаче для заданных условий построения систем передачи данных при одновременном воздействии ряда влияющих факторов, основанная на адаптивной процедуре многокритериального выбора.

4. Решение задачи определения оптимального сигнала на примере трёх типовых задач построения СПД.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,

сформулированы цель, задачи и приведено краткое описание содержания работы.

Первая глава содержит обзор современных цифровых способов модуляции радиосигналов, их основных свойств и применений.

Сигналы с различными цифровыми способами модуляции обладают различными, зачастую противоречивыми, свойствами, что наглядно показано на рис.1. Рисунок представляет собой плоскость «полоса (R/IV) - эффективность (ОСШ/бит)», на которой приведён теоретический предел пропускной способности канала (видоизмененная теорема Шеннона-Хартли), а также сигналы из общих классов модуляций ФМ, 4M и KAM при одинаковой вероятности битовой ошибки

Рь= 10"5 и с различной размерностью алфавита Рис. 1. Сравнение различных методов Л/=2,4,8,16,32,64. Из рис. 1 видно, что при модуляции сигналов

увеличении М качественное изменение свойств сигналов происходит по-разному: для одних происходит увеличение эффективности использования полосы и ухудшение энергетики (сигналы ФМ, KAM), для других - наоборот: уменьшение эффективности использования полосы и улучшение энергетики (сигналы 4M).

По результатам обзора литературы сделан вывод о том, что, несмотря на существующее в настоящее время большое количество фундаментальных работ [В.А. Котельников, К. Шеннон, Р. Райе, JI.M. Финк, Д.Д. Кловский, A.A. Харкевич, Э.Д. Витерби и др.], рассматривающих различные классы модуляций по отдельности, а также ряд работ [Скляр Б., Прокис Дж„ Феер К., Волков Н. и др.], в которых классы модуляций сравниваются между собой, такое сравнение обычно проводится либо по определённым параметрам или свойствам сигналов, либо на качественном уровне.

Отмечено, что в проведённом обзоре не обнаружено многостороннего сравнения сигналов с различными видами модуляций между собой, особенно при одновременном воздействии множества влияющих факторов, что не в полной мере позволяет определить оптимальный вид модуляции сигнала среди них при конкретных требованиях к

построению СПД. Данный факт определяет цель диссертации, заключающейся в разработке эффективной методики, которая позволит осуществить многостороннее сравнение анализируемых сигналов по различным критериям и выявить оптимальный сигнал для заданных условий применения.

Среди сигналов различных классов модуляций отобраны их типичные представители для последующего сравнения: ФМ-4, ОФМ-4, тс/4-ОФМ-4, КАМ-4, КАМ-16, ЧМ-4 1/Т, ЧМ-4 1/2Т, СМП-4, СНФ-4 Lin 0.5, СНФ-4 Lin 0.25, СНФ-4 Sin 0.5, СНФ-4 Sin 0.25, ММС, ГММС 0.3 и ГММС 1000. В диссертации приведено обоснование такого выбора.

Вторая глава посвящена вопросам имитационного моделирования типовой СПД.

Создан банк (модуляторы и демодуляторы) выбранных сигналов с цифровыми способами модуляции.

Разработана имитационная модель

¡ ПереОатчик

Модулятор

Вых. Ф. АЧХ/ФЧХ

АБГШ, ИД СП

Приемник

Вх. Ф. АЧХ/ФЧХ

Демод./ Детестор

Генерэтор битовой последовательности

Сравнивающее устройство

Рис. 2. Структурная схема модели прохождения цифровых данных через СПД

(структурная схема модели показана на рис. 2), которая осуществляет преобразование цифровых данных в радиосигнал с выбранным законом цифровой модуляции, прохождение радиосигнала через узлы и тракты передающей и приёмной радиоаппаратуры и канал связи, обратное преобразование радиосигнала в данные. Далее осуществляется сравнение восстановленных (О) и исходных (У) данных, вычисляется ошибка п0ш, и при многократном моделировании этого процесса пользователь получает оценку вероятности ошибочного приёма. Воздействия на сигнал, которые приводят к изменению достоверности передачи данных в СПД, могут быть различными. Отличительной чертой приведённой модели является учёт большинства типовых видов воздействий на сигнал, а именно: влияние АЧХ и ФЧХ выходного фильтра передатчика; нелинейность выходных каскадов передатчика; помехи, действующие в канале связи: аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ), аддитивные импульсные и селективные помехи; нелинейность входных каскадов приемника; АЧХ и ФЧХ входного фильтра приемника; тип демодулятора и детектора.

Выполнить данную модель на компьютере было решено при помощи пакета объектно-ориентированного программирования LabVIEW компании National Instruments, преимущества которого перед другими пакетами программирования заключаются в наглядности написания кода программ, в наличии большого количества готовых

функциональных блоков обработки данных, в использовании готовых разнообразных графических индикаторов и графиков, в свойствах модульности и иерархии при написании программ и подпрограмм и др. Код таких программ может быть также легко прочитан и доработан сторонними программистами.

Для реализации имитационной модели были разработаны алгоритмы и создана программа КРВТят.уГ Основное окно программы состоит из ряда вкладок, соответствующих различным блокам модели, а также окна со статистическими данными (см. рис. 3). Программа обеспечивает возможность оперативного просмотра временных и частотных характеристик сигналов в разных блоках модели (рис. 4).

В рамках программы »».{»»<..«1:5 Би^ТП^тла было разработано 25 подпрограмм, осуществляющих формирование и различную обработку сигналов: преобразование из временной

! " Ш

области в частотную и обратно, |»| фильтрацию, работу в

спектральной вычисление формирование импульсной и помехи,

области и С/Ш, шумовой, селективной реализацию

Рис. 3. Окно программы имитационного моделирования КРОТвт.у! с выбором типа модуляции и настройкой параметров сигналов

модуляторов и демодуляторов.

Для обеспечения

корректного сравнения

помехоустойчивости приёма сигналов с различными видами цифровых модуляций все параметры модели были зафиксированы. Поскольку алфавит рассматриваемых

сигналов различен, подсчёт ошибки производился побитно. Создание АБГШ, импульсной и селективной помех, а также их сложение с сигналом производилось во временной области, а фильтрация сигнала - в частотной области (в этом случае достаточно перемножить два массива с комплексными

Рис. 4. Окно программы имитационного моделирования КГОТвт.У! с диаграммами в частотной области

числами, представляющие собой спектр сигнала и АЧХ фильтра). С целью приближения условий моделирования к реальным условиям типы входного и выходного фильтров были выбраны одинаковыми: с АЧХ гауссовской формы, так как она больше соответствует характе-ристикам реальных фильтров (чем характеристики с формой по Найквисту).

Работоспособность модели подтверждена в диссертации результатами сравнения помехоустойчивости приёма сигналов, полученных путём имитационного моделирования и расчётным путём [Скляр Б.. Прокис Дж., Феер К., Волков Н. и др.] при воздействии помехи АБГШ. Результат сравнения демонстри-рует высокую степень совпаде-ния (погрешность по С/Ш, в основном, не превышает 0,5 дБ).

Для оценки коэффициента прямоугольное™ спектра разработана программа

ЯРОТкр.у! (рис. 5), которая осуществляет многократное моделирование спектра

радиосигнала, передающего случайные цифровые данные, его усреднение, вычисление ширины спектра по заданным уровням мощности (50% и 95%) и вычисление значения коэффициента прямоугольности.

Комплект разработанных программ представляет собой эффективный виртуальный инструмент, который позволяет количественно оценить помехоустойчивость приёма интересующего сигнала при одновременном воздействии множества влияющих факторов.

Третья глава содержит количественные сравнения сигналов по их различным свойствам, здесь формулируются задачи выбора, определяются критериальные постановки и осуществляется выбор оптимальных сигналов при определённых требованиях к СПД.

Для этого вводятся показатели качества (ПК) - характеристики сигналов, влияющие на помехоустойчивость их приёма. По каждому ПК проведено численное моделирование, получены количественные данные по вероятности ошибочного приёма, заданы градиенты оптимизации, сигналы распределены по степени убывания соответствия. • ПК1 - Помехоустойчивость приёма при воздействии АБГШ - определяется как отношение С/Ш сигнала на входе приемника, требуемое для достижения вероятности битовой ошибки Рь= 10"4 (типовое приемлемое значение в СПД). Наиболее помехоустойчивым приёмом среди рассмотренных обладают сигналы ФМ-4, КАМ-4, СМП-4, ММС, а наименее - сигналы СНФ-4.

Рис. 5. Окно программы КЕОТкр.уг вычисление коэффициента прямоугольное™ спектра

ПК2 - Э(|)(Ьективность использования полосы - определяется как отношение битовой скорости Rb передаваемой сигналом информации, к полосе частот IV, в которой содержится 95% энергии сигнала. Наиболее эффективным среди рассмотренных является сигнал СНФ-4 Lin m=l/4 (достигается за счёт непрерывности фазы, а также малого индекса модуляции). Чуть меньшей эффективностью обладает сигнал СМП-4, поднесущие которого расположены на минимальном расстоянии друг от друга. Наименьшей эффективностью обладает ЧМ-4 1/Т (происходит увеличение занимаемой полосы частот при увеличении алфавита).

ПКЗ - Коэффициент прямоугольное™ формы спектральной плотности мощности сигнала - определяется как отношение полос, в которых содержится соответственно 50% и 95% всей энергии сигнала. Сигнал ЧМ-4 1/Т определён как обладающий наибольшим коэффициентом прямоуголыюсти. За ним второе место делят сигналы СНФ-4 Lin m=l/2 и СМП-4, причём увеличение алфавита в сигнале СМП за счёт увеличения количества поднесущих приведёт к увеличению коэффициента прямоугольности.

ПК4 - Устойчивость к влиянию входных нелинейных (ШП безынерционных цепей -был определён как необходимость изменения отношения С/Ш (при АБГШ) на величину Ас,ш при прохождении сигнала через HJI приемного тракта для того, чтобы сохранить вероятность ошибки F¿=10"3. Наиболее устойчивым является сигнал СНФ-4 Sin ш=1/4, ГММС 1000 и ОФМ-4, а наименее - КАМ-16.

ПК5 - Устойчивость к воздействию импульсной помехи - определён как увеличение максимальной амплитуды А импульса до возникновения ошибочных бит с /V=0,01. Чем больше значение А, тем более устойчивым считается сигнал. При таком определении наиболее устойчивым к импульсной помехе является сигнал ММС, а наименее - сигнал КАМ-16, так как он обладает амплитудной модуляцией, в первую очередь подверженной импульсной помехе.

ПК6 - Устойчивость к воздействию селективной помехи - определён как увеличение максимальной амплитуды А помехи до возникновения ошибочных бит с Я;,=0,01. Чем больше значение А, тем более устойчивым считается сигнал. Результаты имитационного моделирования показали, что среди рассматриваемых сигналов наиболее устойчивым к селективной помехе является сигнал ММС, а наименее - сигнал КАМ-16.

ПК7 - Потенциальная выгода при увеличении алфавита сигнала - определён как минимальное расстояние с1ЭФ от точки на плоскости «полоса-эффективность» до кривой теоретического предела, задаваемому теоремой Шеннона, и характеризует потенциал сигнала при увеличении его алфавита: чем больше значение данного расстояния, тем

большим потенциалом обладает сигнал. Наименьшей выгодой среди рассмотренных сигналов обладает СМП-4, а наибольшей - сигналы СНФ-4.

ПК1 и ПК2 при фиксированной мощности сигнала — противоречивые показатели: достигая улучшения по одному из них, мы неизбежно несём потери по другому. Поэтому в первом приближении задача выбора наилучшего вида модуляции для системы передачи данных сводится к поиску компромисса между этими ПК.

Однако существуют и другие показатели качества сигналов (ПКЗ-ПК7), поэтому для наиболее объективного и полного сравнения сигналов их также необходимо учитывать. В этом случае задача выбора оптимального сигнала для проектируемой СПД становится многокритериальной, условие задачи формулируется в виде критериальной постановки, которая представляет собой упорядочивание ПК. Решение критериальной постановки приведёт к одному или нескольким сигналам, наилучшим образом удовлетворяющим условию задачи (оптимальные сигналы).

Впервые для определения оптимальных сигналов в такой постановке была выбрана адаптивная процедура многокритериального выбора — комбинированная ¿«¿-постановка, запись которой выглядит следующим образом:

Ь ( П / <£{*/,... ,кр) ,кр+„■ ■ ■, к,,... ,к!+ё] ,к/> ), где «<>» обозначает линейный порядок убывания предпочтения, а «{}» обозначает несравнимые варианты. В основе этой процедуры лежит идея представления общей задачи в виде нескольких подзадач с промежуточными решениями, которые анализируются на каждом этапе, и дальнейшие шаги предпринимаются с учетом полученных промежуточных результатов.

Исходя из реальных назначений и применений СПД, сформулированы три типовые задачи, для которых определены оптимальные сигналы (виды модуляций).

Задача 1: Выбор оптимального сигнала в отсутствие специальных требований к проектируемой СПД, т.е. у проектировщика СПД нет предпочтений к какому-либо показателю.

Для решения задачи были введены дополнительные обобщающие критерии: условные Стоимость и Эффективность. Методом экспертных оценок были определены их числовые значения для каждого ПК. Далее по этим значения была решена л-постановка, а критериальная постановка задачи была сформулирована следующим образом: Ь (О / < тг{ПК1,ПК2}, 7г{ПК5,ПК6}, гг(ПКЗ,ПК7}, ПК4>).

При решении данной задачи сигнал ММС был определён как оптимальный.

Задача 2. Определение оптимального сигнала для случая проектирования систем передачи данных действующих в условиях сильных импульсных и селективных помех (например, от силового электрооборудования в промышленных зонах и т.д.).

Основываясь на условии задачи, а также на анализе влияющих факторов реальных систем, определим критериальную постановку ПК следующим образом: Ь (П / < гг{ПК5,ПК6}, ¿<ПК1,ПК2>, лг{ПКЗ,ПК4},ПК7>).

Решение задачи: 0=<ММС, ФМ-4, СМП-4, ОФМ-4,...>, т.е. оптимальным с точки зрения применения в системах с повышенной устойчивостью к импульсным и селективным помехам является сигнал ММС.

Задача 3. Определение оптимального сигнала при проектировании систем передачи данных в условия уплотнення полосы. Это означает, что задача сводится к рассмотрению сигналов в условиях ПК2 и ПКЗ, причём эти ПК являются несравнимыми: О / я-{ПК2,ПКЗ}. Решением такой постановки являются два несравнимых сигнала {СМП-4,ЧМ-4 1/Т}.

Для дальнейшего усечения вариантов и выбора оптимального сигнала применим следующий по значимости ПК - помехоустойчивость приёма при воздействии АБГШ (ПК1). В этом случае полная критериальная постановка будет записана следующим образом: ¿(Г2/<я-{ПК2,ПКЗ},ПК1>). Решением такой постановки является следующий ряд сигналов, расположенных в порядке убывания предпочтения: < СМП-4, ЧМ-4 1/Т >.

Таким образом, при построении систем передачи данных, главным требованием для которых является эффективное использование полосы, оптимальным является сигнал СМП-4. Дополнительно отметим, что свойства сигнала СМП позволяют проводить дальнейшую оптимизацию модуляции в части повышения эффективности использования полосы.

В четвертой главе рассматриваются вопросы практического применения разработанной имитационной модели, которая позволяет количественно оценить вероятность битовой ошибки различных сигналов при их прохождении через приёмопередающие тракты аппаратуры и канал связи. В качестве примера такого применения рассмотрено получение значений битовой ошибки сигналов при одновременном действии нескольких влияющих факторов, значения которых максимально приближенны к реальным значениям.

В качестве доминирующих воздействующих факторов в связке приёмник-передатчик выбраны нелинейность выходного каскада усилителя мощности передатчика, помехи типа АБГШ и импульсной помехи, действующие в канале связи, фильтр входных усилительных каскадов приёмника.

Среди трёх возможных типов нелинейностей (Тап/1(х), Агс1ап(х), Агсят1г(х) — рис. 6), которые реализованы в программе КРБТвт.У!, выбрана нелинейность вида ТапИ(х) как наиболее соответствующая по форме результирующей проходной характеристике реальных выходных двухтактных усилительных каскадов, работающих в режиме АВ. Максимальной рабочей точкой на такой характеристике в реальных схемах берут так называемую точку насыщения, при которой характеристика отклоняется от линейной

формы на 1 дБ; если при моделировании использовать эту точку, то влияние нелинейности на вероятность ошибочного приёма будет крайне мало. Для точки ЗдБ оно составит 2-9% для различных сигналов, а для точки 6дБ - 12-20%. Для того, чтобы это влияние было заметно, решено взять ТапИ( 1,916х), что соответствует отклонению характеристики на 6дБ.

Фильтрующие частотно-зависимые цепи приёмно-усилительного тракта являются одним из ключевых звеньев, влияющие на вероятность ошибочного приёма: их амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) обеспечивает выделение полезного принимаемого радиосигнала из широкого спектра радиопомех. Реальные фильтрующие цепи обладают АЧХ, отличными от идеальной прямоугольной формы, и фазо-частотными характеристиками, отличными от идеальной линейной формы, что в конечном итоге приводит к искажению формы принимаемого сигнала и снижению помехоустойчивости приёма. В качестве наиболее простого и распространённого фильтра возьмём параллельный колебательный контур, обладающий АЧХ близкой к гауссовской форме и ФЧХ условно линейной формы в полосе пропускания. Ширина фильтра была выбрана По,707 = 4/7$ (параметр А =2): это минимально возможная ширина полосы пропускания фильтра, которая вносит незначительные искажения в сигнал. При меньшей ширине фильтр вносит искажения в сигнал, а также приводит к появлению комбинационных составляющих в смеси сигнала и шумовой помехи. При большей ширине фильтра происходит уменьшение фильтрации внеполосного излучения, что приводит к снижению отношения С/Ш на входе демодулятора, и, как следствие, к увеличению вероятности ошибочного приёма.

Повышенный уровень импульсных помех присущ индустриальным зонам. Поскольку одним из основных применений беспроводных СПД является применение в индустриальных зонах, в модель введены импульсные помехи. Целесообразно моделировать импульсные помехи в виде видеоимпульсов с переменной амплитудой (ограниченной переменным положением Т$таит на символьном интервале. При этом для упрощения форму импульсной помехи примем прямоугольной, а ширину импульса В имп - равной 10% от символьного интервала Т$. Максимальное значение переменной амплитуды импульсной помехи ограничим Аи«-=30 (В): данное

значение не приведёт к существенному реализованных в программе ЮТ)Ткрл1

-I—I—I-

/ /V"

-10 -9 -8 17 -б -5 1,11)11 (х)

? *

I 1

агс!лп(х)

(> ? 8 ? 10

—]—р^г—

I..........N

ЛГ£5||)|1(х) ;

Рис. 6. Характеристики типовых нелинейностей,

увеличению ошибок для менее устойчивых к импульсной помехе сигналов (к примеру, для КАМ-16), а для более устойчивых сигналов влияние хоть и небольшое (единицы — десятки процентов), но будет прослеживаться.

Основным воздействующим фактором на передачу данных и приводящим к возникновению ошибок в них является помеха в виде АБГШ. В реальном беспроводном канале связи действует шумовая помеха типа АБГШ, уровень которой для упрощения примем постоянным. Излучаемый в канал связи сигнал обычно нормируется по мощности. Поэтому в программе имитационной модели также зафиксируем эти значения. В целом отношение С/Ш для различных сигналов при фиксированном значении уровня АБГШ будет различно, так как их ширина спектров различна. Соответственно, в эти полосы частот попадает различное количество спектральных составляющих АБГШ. Отметим, что осуществлять сравнение сигналов при одинаковом значении отношения С/Ш будет неправильно. Зафиксируем уровень помехи АБГШ в модели на уровне Л-120 и Л'= 160 (безразмерная величина), при этом вероятность битовой ошибки при приёме сигналов находится в диапазоне /у~0,2... 0,000001.

Перед проведением моделирования ожидания в качественном поведении помехоустойчивости приёма сигналов состояли в изменении взаимного расположения сигналов по вероятности битовой ошибки в условиях АБГШ при добавлении других воздействующих факторов (импульсная помеха, фильтрующие и нелинейные цепи). Также отдельный интерес представляет исследование такого изменения в зависимости от уровня АБГШ. Поэтому исследование было проведено при двух значениях уровня АБГШ.

Результаты моделирования помехоустойчивости приёма сигналов при нескольких вариантах воздействующих факторов сведены в табл. 1 и сортированы по увеличению значения вероятности битовой ошибки Р¡,.

Анализ табл. 1 даёт следующие основные подтверждения поведения сигналов:

1. Приём сигнала ММС является наиболее помехоустойчивым среди рассматриваемых сигналов в условиях воздействия заданных влияющих факторов, а сигнал КАМ-16 -наименее.

2. Некоторые сигналы поменяли свои позиции, что объясняется их различными свойствами. Даже в условиях только АБГШ позиции сигналов при различных уровнях шума различаются.

3. Отметим существенную разницу в значении помехоустойчивости приёма для сигналов ММС и ГММС с ВТ=1000, которые являются одинаковыми по своей структуре, но отличаются способами демодуляции. Квадратурный способ демодуляции (сигнала ГММС 1000) оказывается хуже способа демодуляции на основе согласованных фильтров (для сигнала ММС).

4. Сигналы ЧМ-4 1/Т и ЧМ-4 1/2Т меняются местами: появление дополнительных воздействующих факторов в виде нелинейности и импульсной помехи приводит к тому, что помехоустойчивость приёма ЧМ-4 1/Т падает сильнее, чем у ЧМ-4 1/2Т.

5. При появлении дополнительных воздействующих факторов сигналы ЧМ-4, принадлежащие к числу наиболее помехоустойчивых, проигрывают свои позиции другим сигналам, в частности, ФМ-4.

Таблица 1

Вероятность битовой ошибки при различных воздействующих факторах

*АБГШ ( №=120) *Вх. Ф. (пар. контур) *Л1;гш(Л=120) *Вх. Ф. (пар. контур) *ВыхНЛ (Tanh(192%)); *Имп. ном. (Л=30 RND) "АБГШ ( N=í 60) *Вх. Ф. (пар. контур) *АБГШ (N=160) *Вх. Ф. (пар. контур) *ВыхНЛ (ТапЬ(192%)); *Имп. пом. (/1=30 КМ))

Сигнал Л Сигнал Рь Сигнал Рь Сигнал Рь

1 ммс 0 ММС 0 ММС 0,000004 ММС 0,000002

2 СМП-4 0,000044 ФМ-4 0,0000844 ФМ-4 0,00121 ФМ-4 0,0017

3 ЧМ-4 1/2Т 0,000047 ЧМ-4 1/2Т 0,0011 СМП-4 0,00121 ЧМ-4 1/2Т 0,00723

4 ФМ-4 0,000048 ОФМ-4 0,00264 ЧМ-4 1/Т 0,00216 ОФМ-4 0,017

5 ЧМ-4 1/Т 0,000048 СНФ-4 Lin 0,5 0,00651 ЧМ-4 1/2Т 0,00217 ЧМ-4 1Я 0,021

6 ОФМ-4 0,000074 СНФ-4 Sin 0,5 0,00834 ОФМ-4 0,0136 СНФ-4 Lin 0,5 0,0253

7 СНФ-4 Sin 0,5 0,00201 ЧМ-4 1/Г 0,011 СНФ-4 Lin 0,5 0,0173 СНФ-4 Sin 0,5 0,0318

8 СНФ-4 Lin 0,5 0,00261 П/4-ОФМ-4 0,0175 СНФ-4 Sin 0,5 0,0193 Л/4-ОФМ-4 0,0514

9 КАМ-4 0,0099 СНФ-4 Sin 0,25 0,0375 КАМ-4 0,0394 КАМ-4 0,0785

10 Л/4-ОФМ-4 0,0151 КАМ-4 0,048 Я/4-ОФМ-4 0,0475 СНФ-4 Sin 0,25 0,0785

11 ГММС 1000 0,0171 СНФ-4 Lin 0,25 0,0705 СНФ-4 Sin 0,25 0,063 СНФ-4 Lin 0,25 0,119

12 СНФ-4 Sin 0,25 0,0243 ГММС 1000 0,0865 ГММС 1000 0,0719 СМП-4 0,133

13 ГММС 0,3 0,0333 СМП-4 0,101 ГММС 0,3 0,0937 ГММС 1000 0,14

14 СНФ-4 Lin 0,25 0,0506 ГММС 0,3 0,106 СНФ-4 Lin 0,25 0,103 ГММС 0,3 0,158

15 КАМ-16 0,128 КАМ-16 0,199 КАМ-16 0,18 КАМ-16 0,237

Сформулировать обобщённые выводы по взаимному расположению сигналов друг относительно друга невозможно, так как их положение определяется конкретными параметрами системы: вид и уровень нелинейности, АЧХ и ФЧХ фильтров, типы и уровни помех в канале связи. Следует подчеркнуть, что разработанная модель позволяет получать количественную оценку помехоустойчивости приёма сигналов при конкретных, определённых значениях воздействующих факторов, что крайне сложно получить расчётным путём, а также отследить динамику поведения при их изменении, что, несомненно, даёт более гибкий инструмент для принятия решения для проектировщиков систем связи или систем передачи данных.

Пятая глава посвящена рассмотрению свойств сигналов с двойной модуляцией: первичная модуляция осуществляется по одному из рассмотренных в работе законов, вторичная модуляция - аналоговая частотная. Двойная модуляция обладает рядом преимуществ и недостатков по сравнению с одиночной модуляцией и выполняется в

случаях, когда при разработке системы передачи данных нет необходимости в разработке специализированного передатчика и достаточно стандартного УКВ радиопередатчика.

Двойная модуляция устраняет ряд недостатков одиночной модуляции, таких как амплитудная зависимость ряда сигналов (KAM, СМП); проблемы синхронизации, вызванные неравновероятностью появления символов, и, как следствие, перекос спектра. Преимуществом двойного способа модуляции является также использование стандартных УКВ передатчиков для передачи сигнала в эфир.

Помехоустойчивость приёма сигналов с двойной модуляцией исследована при помощи имитационной модели, в которую был добавлен модулятор и демодулятор (квадратурно-дифференциальный) аналоговой 4M. Количественные результаты сведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения С/Ш сигналов с одиночной и двойной модуляции при /'/,=10"4

Обозн. Сигнал Одиночная модуляция Ei/Nu, ДБ Двойная модуляция дь

(Ol ФМ-4 8,4 13,4

ю4 КАМ-4 8,4 13,5

ш13 ММС 8,4 13,5

0)6 СМП-4 8,5 18,7

0)15 ГММС 1000 8,5 13,5

0)7 ЧМ-4 1/Т 8,8 14,5

0)8 ЧМ-4 1/2Т 8,8 13,5

0)14 ГММС 0,3 10,1 14,5

о)2 ОФМ-4 10,9 15,3

0)10 СНФ-4 Sin 0,5 11,1 15,5

ю5 КАМ-16 12,3 24,7

ш9 СНФ-4 Lin 0,5 12,8 15,7

0)3 Л/4-ОФМ-4 13,9 17,8

«12 СНФ-4 Sin 0,25 15,9 17,8

0)11 СНФ-4 Lin 0,25 18,4 21,0

По результатам сравнения помехоустойчивости приёма сигналов с одиночной и

двойной модуляции (ДМ) выявлены закономерности и сделаны следующие основные выводы:

1. Введение дополнительной аналоговой частотной модуляции приводит к снижению помехоустойчивости приёма для всех сигналов при воздействии шумовой помехи типа АБГШ. Применение сигналов ДМ в энергетически-эффективных системах нецелесообразно.

2. При использовании двойной модуляции соотношение помехоустойчивости приёма среди сигналов в целом не нарушается, исключение составляют сигналы СМП-4, ЧМ-4 1/Т и КАМ-16.

3. Помехоустойчивость приёма сигналов СМП-4 ДМ и КАМ-16 ДМ ухудшается сильнее, чем для остальных сигналов. Очевидно, это связано с наличием амплитудной модуляции сигналов СМП-4 и КАМ-16.

Практическое применение полученных знаний о свойствах сигналов с двойной модуляцией показано на примере предложения оптимального сигнала для системы МСПОД, разработанной на кафедре Радиоприёмных устройств «НИУ «МЭИ». В частности, в работе приведено обоснование применения сигналов ММС ДМ и ЧМ-4 ДМ в системе МСПОД в качестве оптимальных сигналов.

Заключение

Основные новые результаты диссертационной работы состоят в следующем:

• разработана модель типовой системы передачи данных по радиоканалу, учитывающая такие воздействующие факторы как нелинейность усилительных каскадов, частотно-зависимые характеристики каскадов, аддитивные помехи в канале связи (АБГШ, импульсная, селективная), и позволяющая анализировать сигнал в каждом её узле, а также оценивать помехоустойчивость приёма сигналов;

• разработаны алгоритмы и создан пакет прикладных программ на NI LabVIEW, реализующих разработанную модель;

• создан банк (модуляторы и демодуляторы) сигналов, в который включены ФМ-4, ОФМ-4, Л/4-ОФМ-4, КАМ-4, КАМ-16, ЧМ-4 1/Т, ЧМ-4 1/2Т, СМП-4, СНФ-4 Lin 0.5, СНФ-4 Lin 0.25, СНФ-4 Sin 0.5, СНФ-4 Sin 0.25, ММС, ГММС 0.3 и ГММС 1000;

• введены критерии оценки качества сигналов — показатели качества, по каждому из которых получены количественные оценки путём статистического имитационного моделирования. Работоспособность модели подтверждена достаточным соответствием полученных данных по помехоустойчивости приёма сигналов при воздействии АБГШ с аналитическими оценками;

• впервые разработана методика определения оптимального сигнала при заданных требованиях построения СПД на основе адаптивной процедуры многокритериального выбора - SjiL-постановки. Особенность и наибольшее преимущество данной методики -это сравнение сигналов одновременно по многим показателям, что является практически неосуществимой задачей при аналитическом подходе;

• сформулированы три типовые задачи построения систем передачи данных, определены их условия, осуществлён поиск и выбор оптимальных сигналов для них, сигналы упорядочены в порядке убывания их соответствия задаче;

• в качестве примера практического применения имитационной модели проведено моделирование прохождение сигналов через тракты аппаратуры связи и радиоканал при условии воздействии нескольких влияющих факторов, значения которых были выбраны максимально приближенными к реальным значениям систем: нелинейность выходных каскадов передатчика, АЧХ и ФЧХ входных цепей приёмника; помехи типа АБГШ в канале связи; индустриальные помехи типа импульсной помехи в канале связи.

Полученные количественные данные по вероятности ошибочного приёма сравнены между собой и определён оптимальный сигнал среди рассмотренных;

• определены целесообразность, условия и область применения двойной (цифро-аналоговой) модуляции.

Практическое применение результатов, полученных в данной работе, для выбора оптимального сигнала при разработке СПД состоит в следующем:

1. В случае, если количественная оценка параметров воздействий (уровень АБГШ, импульсной и селективной помех, тип нелинейности усилительных каскадов и др.) разработчику известны, то следует воспользоваться разработанной имитационной моделью для получения количественных оценок вероятности ошибочного приёма и осуществить выбор оптимального сигнала по критерию наименьшего значения вероятности.

2. В случае, если разработчик не обладает информацией о степени воздействий, то ему следует определить интересующие воздействия (или показатели качества сигнала), при помощи имитационной модели получить их количественные оценки, сформулировать критериальную постановку и при помощи предложенной методики осуществить выбор оптимального сигнала. При этом разработчик может оценивать и уточнять результаты на каждом этапе выбора.

Для расширения круга рассматриваемых вопросов разработанная компьютерная имитационная модель может быть дополнена другими сигналами, могут быть введены дополнительные влияющие на достоверность передачи факторы (синхронизация, многолучёвость и т.д.). Практическое применение разработанных модуляторов и демодуляторов сигналов целесообразно также в случае использования компьютера вместо таких же реальных блоков аппаратуры связи при исследовательских или штатных рабочих режимах систем передачи данных. В этих случаях достаточно будет оцифровать компьютером принимаемый сигнал, а задача по его анализу будет выполнена разработанными программами на N1 ЬаЬУШМ', или же осуществить обратные действия.

В Приложении 1 приведено определение значений эффективности и стоимости ПК методом экспертных оценок.

Приложение 2 содержит блок-диаграммы программ КРО'Гзнп.У! и ЯРОТкр.У! их подпрограмм, которые осуществляют одиночную модуляцию сигнала.

Приложении 3 содержит блок-диаграммы программы КРОТ$1т_£1т.у|, которая осуществляет двойную модуляцию сигнала.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жильцов П.В. Определение оптимальных сигналов с цифровыми методами модуляции при помощи имитационного моделирования на ЬаЬУ1Е\\' // Радиотехника. - 2008. №12. - С. 65-68.

2. Жильцов П.В. Выбор оптимальных сигналов с цифровыми методами модуляции с использованием процедуры выбора адаптивного типа // Известия Волгоградского

государственного технического университета: меж-вуз. сб. науч. ст № 9(35) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2007. - 152 с. - (Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып. 3). — С. 46-49.

3. Жильцов П.В. Управляющая программа для дистанционного мониторинга удаленных объектов на основе пакета программирования LabVIEW // Радиотехнические тетради. — 2004. №29.-С. 35-41.

4. Жильцов П.В. Программное обеспечение мобильного информационно-измерительного комплекса для дистанционного мониторинга удаленных объектов на основе пакета LabVIEW // Федеральная итоговая научно-техническая конференция творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам. Материалы конференции - М.: МИЭМ, 2003 - С. 99-100.

5. Богатырёв Е.А., Жильцов П.В. Управляющая программа для мониторинга удаленных объектов на основе пакета объектно-модульного программирования LabVIEW // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. Девятая Междунар. науч,-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2003. Т. 1. - С.44-45.

6. Богатырёв Е.А., Жильцов П.В. Применение программного пакета LabVIEW в имитационном моделировании // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. Одиннадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2005. Т. 1. - С. 52-53.

7. Богатырёв Е.А., Жильцов П.В. Исследование помехоустойчивости современных видов цифровых модуляций сигналов путем имитационного моделирования на основе пакета LabVIEW // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. — М.: МЭИ, 2006. Т. 1.-С.71-73.

8. Жильцов П.В. Имитационное моделирование прохождения сигналов через системы передачи данных в пакете LabVIEW // 2-я международная научная конференция «Современные информационные системы. Проблемы и тенденции развития.»: Сб. материалов конференции. - Харьков: ХНУРЭ, 2007 - С. 394-395

9. Жильцов П.В. Разработка имитационной модели типовой локальной системы передачи данных для исследования свойств сигналов с компактным спектром // Инженерные, научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments — 2011: Сборник трудов X международной научно-практической конференции, Москва 8-9 декабря 2011 г. - М.: ДМК-пресс, 2011 - С.54-56.

Подписано в печать.

Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая.

Тираж 70экз. Заказ № 8358 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-т, д.28 Тел. 8(495)782-88-39

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

На правах рукописи

04201361468 ЖИЛЬЦОВ Павел Викторович

АНАЛИЗ И МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ВЫБОР УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Специальность: 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., проф. Богатырёв Е.А.

Москва-2013

Оглавление

Введение...................................................................................................................................4

1. Обзор узкополосных сигналов........................................................................................12

1.1. Основные понятия при передаче и приеме: когерентный прием, корреляционный прием, оконные функции сглаживания..................................12

1.2. Обзор сигналов...........................................................................................................15

1.2.1. Класс амплитудно-манипулированных сигналов...........................................15

1.2.2. Класс фазоманипулированных сигналов.........................................................16

1.2.3. Класс сигналов с непрерывной фазой..............................................................24

1.2.4. Класс частотно-манипулированных сигналов................................................28

1.2.5. Класс амплитудно-фазовых сигналов..............................................................32

1.2.6. Класс сигналов со многими поднесущими.......................................................35

1.3. Сравнение спектров сигналов.................................................................................38

1.4. Сравнение помехоустойчивости приёма сигналов ФМ, ЧМ и КАМ на плоскости «полоса-эффективность».......................................................................40

1.5. Выбор методов модуляций сигналов для исследования......................................41

1.6. Постановка задачи исследования............................................................................43

2. Имитационное моделирование........................................................................................47

2.1. Модель прохомедения сигнала через приемно-передающие тракты радиоаппаратуры и канал связи.............................................................................47

2.2. Выбор среды моделирования...................................................................................51

2.3. Банк моделей сигналов.............................................................................................52

2.4. Программы имитационного моделирования RFDTsim и RFDTkp.....................72

2.5. Особенности имитационного моделирования.......................................................83

2.6. Результаты моделирования помехоустойчивости приёма сигналов..................85

2.7. Выводы........................................................................................................................89

3. Сравнение узкополосных сигналов................................................................................91

3.1. Критериальная постановка задачи выбора...........................................................93

3.2. Выбор показателей качества сигналов...................................................................96

3.2.1. Помехоустойчивость приёма сигналов при воздействии АБГШ..................97

3.2.2. Эффективность использования полосы...........................................................98

3.2.3. Коэффициент прямоугольности......................................................................100

3.2.4. Устойчивость к влиянию нелинейности входных цепей.............................101

3.2.5. Устойчивость к воздействию импульсной помехи.......................................103

3.2.6. Устойчивость к воздействию селективной помехи......................................104

3.2.7. Потенциальная выгода при увеличении алфавита сигнала.......................105

3.3. Сравнение сигналов на плоскости «полоса-эффективность»...........................108

3.4. Выбор модели многокритериального выбора.....................................................109

3.5. Постановка задач и выбор оптимальных сигналов............................................111

3.6. Выводы......................................................................................................................121

4. Моделирование сигналов в условиях одновременного воздействия нескольких влияющих факторов.....................................................................................123

4.1. Выбор влияющих факторов и их значений.........................................................123

4.2. Имитационное моделирование прохождения сигналов в условиях одновременного воздействия нескольких влияющих факторов.......................127

4.3. Выводы......................................................................................................................131

5. Исследование сигналов с двойной модуляцией..........................................................133

5.1. Назначение двойной модуляции, преимущества и недостатки.........................133

5.2. Модулятор и демодулятор аналоговой 4M. Внедрение в имитационную модель........................................................................................................................135

5.3. Программа имитационного моделирования RFDTsim_dm...............................140

5.4. Выбор параметров и особенности применения двойной модуляции в имитационной модели.............................................................................................142

5.5. Количественные результаты имитационного моделирования прохождения сигналов с двойной модуляцией....................................................144

5.6. Практическое применение сигналов с двойной модуляцией на примере системы МСПОД.....................................................................................................148

5.7. Выводы......................................................................................................................151

Заключение..........................................................................................................................153

Список литературы............................................................................................................159

Приложение 1. Определение баллов Эффективности и Стоимости методом экспертных оценок.............................................................................................................166

Приложение 2. Блок-диаграммы программ RFDTsim.vi, RFDTkp.vi и подпрограмм........................................................................................................................169

Приложение 3. Блок-диаграммы программы RFDTsim dm.vi и подпрограмм........220

Введение

В последнее время в мире существует устойчивая потребность в беспроводных системах передачи данных (СПД) различного назначения. Основными преимуществами таких систем являются высокая мобильность решений, построенных на основе беспроводных технологий, а также работа в местах, доступ в которые затруднён.

По использованию полосы радиочастот беспроводные СПД разделяют на широкополосные и узкополосные.

Широкополосные СПД используют для передачи сигналы с широкой полосой спектра. Как правило, это сети с большой пропускной способностью по передаче информации. Типовым примером таких систем являются беспроводные сети, построенные на стандартах IEEE 802.11 (Wi-Fi), 802.16 (WiMAX), GSM (GPRS) и т.п. Эти сети обеспечивают передачу данных со скоростью от десятков кбит/с до сотен Мбит/с в зависимости от условий и загруженности сети. В таких случаях для обеспечения высокой скорости передачи данных используют специальные методы расширения спектра радиосигналов, что приводит к необходимости использования широкой полосы радиочастот.

Узкополосные СПД характеризуются невысокой скоростью передачи данных (от десятков бит/с до десятков кбит/с), занимают ограниченную полосу частот и по месту размещения могут быть локальными или распределёнными. Примером распределённой системы является система передачи телеметрических данных от группы транспортных средств в диспетчерский центр с использованием существующих конвенциональных сетей. Локальные СПД внедряются на ограниченной территории и зачастую подвержены влиянию дополнительных помех (импульсных, селективных и пр.). Примером узкополосной локальной СПД является малогабаритная система сбора, передачи и обработки данных [75] , разработанная на кафедре РПУ МЭИ (ТУ). Данная система обеспечивает беспроводную передачу данных от удалённых измерителей различных физических и химических процессов, расположенных в труднодоступных местах промышленных объектов.

Создание новой СПД требует в каждом случае использования свободных участков радиодиапазона. Выбор того или иного участка определяется особенностями и назначением конкретной системы, при этом освоение каждой области частот неизменно сопровождается необходимостью устранить взаимное влияние радиосредств [61,62] и жёстко регламентировать рабочие частоты.

Процесс совершенствования элементной базы приёмо-передающей аппаратуры, появление новых схемотехнических решений и внедрение новых технологических процессов производства позволяют осваивать более высокие частоты радиодиапазона (единицы - десятки ГГц) и размещать в нём различные передающие системы. Но реализация СПД на таких высоких частотах пока существенно дороже [6], чем на уже освоенных диапазонах частот (примерно до 2ГГц). Поэтому коммерчески доступные решения должны учитывать большую степень заполненности радиодиапазона другими СПД или системами связи.

Современные беспроводные СПД решают большое количество задач и используют при этом для передачи информации множество сигнальных форматов с различными энергетическими и спектральными параметрами. Применимость конкретного сигнального формата к решаемой проблеме определяется соответствием этих параметров условиям, в которых происходит передача и прием информации. К таким условиям относятся как характеристики используемых радиоканалов, регламентируемые международными и государственными стандартами, например [63,64], так и требования по электромагнитной совместимости радиосредств [42].

Кроме этого, в промышленных условиях существуют дополнительные воздействия на радиоканал в виде импульсных и селективных помех, имеющих значительные уровни, и влияние которых на процесс передачи данных необходимо учитывать.

В связи с этим одной из важнейших проблем, стоящих перед разработчиками новых радиосистем, является поиск и выбор радиосигналов, наилучшим образом отвечающих требованиям к этим системам. Параметры и свойства выбранного радиосигнала во многом предопределяет уровень

эффективности функционирования самой радиосистемы и степень ее мешающего воздействия по отношению к сторонним радиосредствам [29].

Процесс преобразования подлежащих передаче сообщений в сигнал, который может быть передан по каналу связи, называется модуляцией [9]. Модуляция состоит в изменении по определённому закону таких параметров несущего колебания как амплитуда, частота и фаза, причём возможно изменять как один из параметров, так и несколько одновременно.

Основными требованиями при проектировании систем связи являются:

• увеличение скорости передачи данных;

• уменьшение ширины спектра сигнала;

• увеличение помехоустойчивости приёма.

На практике эти требования являются противоречивыми: увеличение скорости передачи при сохранении узкого спектра сигнала невозможно без снижения помехоустойчивости [50]. Существуют различные виды модуляций сигнала, каждый из которых дает выигрыш по определенному требованию, но при этом ухудшает другие.

Также при проектировании беспроводной СПД могут быть определены дополнительные требования к выбору сигнала: устойчивость к импульсным и селективным помехам, к нелинейности усилительных каскадов и др. Поэтому задача выбора наиболее эффективного вида модуляции сигнала сводится к задаче комплексной оценки эффективности различных видов модуляций по их различным свойствам.

При наличии определенных требований, количественных или качественных, к проектируемой системе передачи данных наиболее эффективный вид модуляции, который будет наилучшим образом отвечать заданным требованиям, условимся называть оптимальным.

Все методы модуляций можно разделить на два основных типа: аналоговые и цифровые методы. Цифровые методы модуляций обладают рядом преимуществ над аналоговыми методами: высокая помехоустойчивость, простота формирования и обработки.

Основы современной (статистической) теории радиосвязи были заложены в фундаментальных работах таких крупнейших учёных как

В.А. Котельников [23] и К. Шеннон [55] и получили дальнейшее развитие в работах Р. Райса, JIM. Финка, А.Г. Зюко, Д.Д Кловского, A.A. Харкевича, Э.Д. Витерби, Р. Фано, Дж. Возенкрафта, Р. Галлагера [к примеру, 51,46,37,21,8,53,7] и др. В этих работах в достаточной мере отражены свойства, исследованы спектры и рассчитана помехоустойчивость приёма сигналов из следующих классов сигналов с цифровыми методами модуляции:

- класс амплитудно-манипулированных сигналов (AM);

- класс фазоманипулированных сигналов (ФМ);

- класс частотно-манипулированных сигналов (4M);

- класс сигналов с непрерывной фазой (СНФ);

- класс сигналов со смешанной амплитудно-фазовой модуляцией (KAM);

- класс сигналов со многими поднесущими (СМП).

Позднее в работах Прокиса Дж [39], Скляра Б. [45], Феера К. [49], Волкова Н. [9] и др. приводится сравнительный анализ сигналов с различными способами модуляции. Существуют и другие работы, в которых рассматриваемые способы модуляции изучаются подробно, например [60]. Однако такой анализ выполнен только по основным свойствам сигналов, зачастую на качественном уровне и не отражает многостороннего сравнения свойств сигналов при различных воздействующих факторах. В известных автору источниках и периодических изданиях не обнаружено подобного многостороннего сравнения.

Таким образом, при разработке новой беспроводной системы передачи данных выбор эффективного сигнала разработчиком представляется необъективным, в особенности в условиях многих факторов.

Решение данной проблемы видится двумя путями: 1. В случае, если количественные значения воздействующих на сигнал факторов известны, то разработчику следует определить интересующую характеристику сигналов (к примеру, помехоустойчивость приёма), получить её количественные значения для каждого сигнала и осуществить выбор сигнала по минимальному (или максимальному) её значению. Количественные значения выбранной характеристики необходимо получить либо аналитическим путём, либо путём численного

имитационного моделирования. Использование моделирование представляется более рациональным, так как аналитический подход при наличии многих воздействующих факторов будет либо крайне сложен, либо невозможен.

2. В случае, если количественные значения воздействующих на сигнал факторов неизвестны, то следует определить характеристики сигналов (показатели качества), отражающие результат воздействия различных факторов, и обратиться к формализованной процедуре многокритериального выбора для максимально объективного выбора наиболее эффективного сигнала.

Оба этих пути рассматриваются в данной работе.

Цели и задачи диссертации

Цель данной работы состоит:

1. В сравнительном исследовании и получении количественных оценок характеристик сигналов с различными цифровыми методами модуляции при воздействии таких факторов как шумовая, импульсная и селективная помехи, нелинейность усилительных каскадов и др.

2. В разработке эффективной методики многокритериального сравнения сигналов по их различным характеристикам и выборе оптимального (наилучшего) сигнала при заданных требованиях построения СПД. Данная методика призвана повысить объективность в выборе оптимального метода модуляции сигнала.

3. В разработке эффективного инструмента в виде численной имитационной модели СПД для получения оценки помехоустойчивости приёма сигналов при одновременном воздействии различных факторов.

4. В сравнительном исследовании свойств сигналов с одиночной и двойной модуляцией, а также определении оптимального сигнала для разработанной на кафедре РПУ «НИУ «МЭИ» малогабаритной системы сбора, приёма и обработки данных (МСПОД).

Уточнение целей и формулировка задач для исследования приведено в

разделе 1.6 настоящей работы.

В настоящее время персональные компьютеры обладают достаточными вычислительными мощностями, поэтому выполнять исследования целесообразно при помощи компьютерного численного имитационного моделирования. Для этого разрабатывается имитационная модель прохождения сигнала через тракты беспроводной СПД, включая такие типовые блоки как: нелинейности, ограничители, фильтры, канал связи и пр.

Как уже было упомянуто выше, построение специализированной системы связи (передачи данных) в условиях сильного уплотнения радиоканала другими системами заставляет обратить пристальное внимание на класс узкополосных сигналов (видов модуляций), в которых спектр наиболее компактен или спектральная эффективность которых наиболее высока.

Сигнал называется узкополосным [9], если для него выполняется следующее условие:

п/ш0 «

где П - ширина полосы, занимаемой спектром сигнала, а со0 - его средняя или несущая частота. Обычно основная мощность таких сигналов (90-99%) сосредоточена в пределах полосы спектра шириной (:2—4)/7s, где Ts — длительность символьного интервала. К таким сигналам могут относиться сигналы из классов AM, ФМ, 4M, KAM, СНФ.

Широкополосные сигналы занимают существенно большую полосу частот и обычно образуются из узкополосных сигналов, которые затем модулируются вторично цифровой последовательностью с высокой скоростью в соответствии с выбранным методом.

В данной работе рассматриваются узкополосные сигналы для специализированных локальных систем передачи данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовали