автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Инвариантная система передачи информации по каналам с переменными параметрами

На правах рукописи

Алгазин Евгений Игоревич

ИНВАРИАНТНАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО КАНАЛАМ С ПЕРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность 05.13.01 — системный анализ, управление и

обработка информации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск -2006

Работа выполнена в ЗАО «Сибирские сотовые системы - 900», г. Новосибирск

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Малинкин Виталий Борисович

доктор технических наук, профессор Петров Михаил Николаевич кандидат технических наук Сединин Алексей Валерьевич

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт систем управления, волновых процессов и технологий, г. Красноярск

т

Защита диссертации состоится « ^Р» ^ 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.249.02 при Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева по адресу: 6600014, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

Автореферат разослан «/У» сы^ги^ 2006

г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.В. Ковалев

ПЬ2А

Актуальность темы. Современный уровень развития систем обработки информации ставит задачу высокопомехоустойчивой передачи сигналов (информации).

Одним из аспектов этой задачи является безыскаженная передача информации по каналам с переменными параметрами.

Вопросам передачи информации по каналам с переменными параметрами посвящены многие исследования, проведенные отечественными учеными: Кремером И .Я., Владимировым В.И., Карпухиным В.И., Васильевым К.К., Петровичем Н.Т., Кловским Д.Д., Сифоровым В.И., и многими другими отечественными и зарубежными учеными.

Полученные этими учеными результаты относятся к передаче бинарного сигнала при воздействии комплекса мультипликативной и аддитивной помех.

Вопросами инвариантности занимались отечественные ученые: Окунев Ю.Б., Петров М.Н., Лебедянцев В.В., Малинкин В.Б.

Окунев Ю.Б. впервые рассмотрел принципы построения и характеристики систем передачи информации, обладающих свойствами нечувствительности (инвариантности) к некоторым типам помех.

Д.т.н., профессор Петров М.Н., разработал теорию управления информационными сетями на основе использования тензорной теории.

Д.т.н., профессор Лебедянцев В.В., выявил инвариант как отношение длин векторов информационного и опорного сигналов на входе и выходе канала передачи информации.

Д.т.н., профессор Малинкин В.Б. разработал теорию построения адаптивных фильтров на основе использования инвариантов.

Существующие способы передачи сигналов управления и информации в системах обработки информации зачастую не отвечают жестким требованиям по вероятности ошибки при заданной скорости передачи, ограничении ширины полосы пропускания канала и случайным изменениям параметров канала.

Существующие методы повышения достовериееж-сводятся к использованию всевозможных способов кодирования ин®ормавщд^^^!ЬЪДит к

удорожанию оборудования, снижению скорости передачи, использованию дорогостоящих алгоритмов обработки информации.

Все это привело к поиску новых путей решения данной задачи.

Одним из возможных подходов к решению данной задачи является совместное использование метода относительной амплитудной модуляции, предложенного Петровичем Н.Т., и инвариантного подхода при передаче информации.

Совокупность этих двух методов позволяет системе обработки информации быть устойчивой к воздействию мультипликативной помехи и иметь достаточно большой набор передаваемых значений инвариантов.

Такой подход позволяет упростить структуру системы обработки информации при улучшении качественных показателей: например, уменьшении вероятности ошибки.

Цель работы - разработка алгоритма безыскаженной передачи информации по каналам с переменными параметрами.

В соответствии с поставленной целью в работе формируются и решаются следующие основные задачи:

- анализ геометрической модели канала с переменными параметрами.;

-исследование возможности использования метода относительной амплитудной модуляции в сочетании с использованием инвариантов и мерами по повышению помехоустойчивости;

- разработка методики оценки помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации;

- исследование возможности технической реализации инвариантной системы передачи информации по результатам оценки помехоустойчивости;

- разработка структурной схемы инвариантной системы передачи информации .

Методы исследования. В работе использовался математический аппарат теории вероятностей, линейной алгебры, вычислительной математики. Экспериментальное исследование инвариантной системы передачи информации проводилось методом статистического моделирования на ПЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведен анализ геометрической модели канала передачи информации с переменными параметрами.

2. Предложено использовать метод относительной амплитудной модуляции, как устойчивый к воздействию мультипликативной помехи, в сочетании с заданием инвариантов при формировании сигнала.

3. На основании метода преобразования случайных величин получено выражение плотности вероятности оценки инварианта, что позволило оценить помехоустойчивость инвариантной системы передачи информации.

4. Разработана структурная схема инвариантной системы передачи информации для случая обработки поднесущей расширенным синхронным детектированием.

Практическая ценность. Реализация результатов исследования вопросов построения инвариантной системы передачи информации позволит на практике добиться существенного снижения влияния мультипликативной и флук-туационной помех на верность передачи информации по каналам с переменными параметрами, и тем самым уменьшить вероятность ошибки.

Предложена методика оценки помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации по каналам с переменными параметрами.

Внедрение работы. Исследования, проведенные в ходе работы над темой, являются составной частью НИР по теме «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий». Получен акт о внедрении в производственную деятельность ООО «Лифт-комплекс ДС».

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, докладывались и обсуждались на

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1996;

- Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1997;

- Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1998;

- Третьей международной конференции «Современные информационные

\

технологии СИТ-98», Новосибирск, 1998;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2004;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2005.

- Международной конференции «2005 Microwave Electronics, Measurement, Identification, Application - МЕМ1А2005», Новосибирск, 2005.

Публикации.

По теме диссертации автором опубликовано одиннадцать работ, в том числе четыре статьи.

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников и приложения.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Инвариантная система передачи информации, основанная на использовании относительной амплитудной модуляции, устойчивой к воздействию мультипликативной помехи.

2. Методика расчета помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации, основанная на методе преобразования случайных величин.

3. Устройство, реализующее инвариантные алгоритмы обработки информации.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определена практическая ценность результатов исследования, приведены сведения об апробации работы, пояснена структура и объем диссертации.

В первом разделе рассмотрены известные модели каналов с переменными параметрами. Анализ этих моделей показал, что существует множество от-

дельных моделей каналов с переменными параметрами.

Поэтому возникает необходимость в разработке универсальной модели, адекватно описывающей свойства всех рассмотренных моделей. В связи с этим проведен синтез геометрической модели канала с переменными параметрами. Геометрическая модель позволила с других позиций посмотреть, как изменяются параметры канала при изменении формы импульсной реакции и воздействии мультипликативной и аддитивной помех.

Особенностью геометрической модели канала с переменными параметрами явилось то, что концы векторов выходных сигналов образуют в двумерном сечении эллипс.

Исследовано поведение геометрической модели при воздействии мультипликативной помехи, аддитивной помехи и комплекса мультипликативной и аддитивной помех, а также при изменении формы импульсной реакции.

В частности выявлено следующее: при изменении коэффициента передачи канала, обусловленном действием мультипликативной помехи, эллипс меняет свои размеры без изменения формы. При воздействии одной аддитивной помехи размеры эллипса остаются без изменения, но меняется случайным образом длина векторов выходных сигналов и края эллипса, образованные этими сигналами, описываются как бы ломаной линией. А при комплексном воздействии мультипликативной и аддитивной помех эллипс меняет размеры и края эллипса также описываются ломаной линией.

При изменении формы импульсной реакции исследовалось четыре случая:

1. Симметричная импульсная реакция.

2. Несимметричная импульсная реакция.

3. Ярко выраженная несимметричная импульсная реакция.

4. Симметричная, но с меньшей амплитудой отсчетов, чем в первом случае.

Рассматривалось поведение векторов А5 = 5,Вых -£вх. Первому случаю соответствует набор практически параллельных векторов Д5. Второму - слабо закрученный относительно точки (0, 0). Третьему случаю соответствует

наибольшая закрученность относительно точки (0, 0). В четвертом случае вектора AS остаются практически параллельными, как и в первом случае, но уменьшаются геометрические размеры эллипса без изменения формы.

Для качественного анализа автором использован инвариант, который можно представить в следующем виде:

г

Sexi(km) _ Sebuci(kwi) - Sex(i-\)(kwi) Sebix(i-i)(kwi) (1)

ф1-(А>и)-ф(/ - \)(km) = \|/г(Ьм) -1)/(; - i)(Aw)

где SBX и SBUX - амплитудные спектры входного и выходного сигналов на i-ом и (i-l)-OM блоках обработки;

ф и - фазовые спектры входного и выходного сигналов на i-ом и (i-1)-ом блоках обработки.

Первое равенство из выражения (1) представляет собой по сути принцип относительной амплитудной модуляции. Если перевести (1) во временную область с использованием опорного сигнала Son, то тогда мы приходим к относительной амплитудной модуляции с опорным сигналом.

Во втором разделе рассмотрено применение метода относительной амплитудной модуляции (ОАМ)для построения инвариантной системы передачи информации по каналам с переменными параметрами.

Для упрощения исследования и возможности использования О AM был принят частный случай вычисления инварианта, вытекающий из первого раздела: это отношение суммы амплитуд отсчетов сигаала передачи к сумме амплитуд отсчетов сигнала опорной посылки на входе тракта передачи и отношение суммы амплитуд отсчетов сигнала передачи, обработанного расширенным синхронным детектором, к сумме амплитуд отсчетов сигнала опорной посылки, обработанного расширенным синхронным детектором, на выходе тракта передачи.

Проведен анализ существующих методов передачи сообщений по каналам с переменными параметрами.

Показано, что каждый способ имеет как недостатки, так и достоинства. К недостаткам, как правило, относятся сложность аппаратной реализации и алгоритмов функционирования. Достоинством является повышение помехоустойчивости системы передачи информации.

Показано, что системы передачи, основанные на методе ОАМ, отличаются простотой реализации. При использовании ОАМ с инвариантностью возможно получать не бинарные системы, а использующие многоуровневую амплитудную модуляцию. В работе число уровней выбрано равным десяти.

Проведен сравнительный анализ систем передачи, использующих различные способы обработки сигналов, применительно к ОАМ.

Были рассмотрены: метод дискретного преобразования Фурье, отношение модулей сигналов, метод, использующий расширенный синхронный детектор, интегральный прием, прием по квадратурным составляющим.

Показано, что все используемые способы обработки сигналов обладают устойчивостью к мультипликативной помехе (без влияния аддитивной) при реализации метода ОАМ.

Из рассмотренных способов выбран способ, при котором используется расширенное синхронное детектирование поднесущей, потому что он позволяет найти плотность вероятности оценки инварианта и оценить вероятность ошибки при передаче информации.

Следует указать, что в работе помимо синхронного детектирования поднесущей исследован и интегральный метод приема. Однако полученные результаты накладывают существенные ограничения на практическую реализацию.

Плотность вероятности оценки инварианта находится методом преобразования случайных величин в выражениях оценки инварианта. Случайными величинами являются независимые мгновенные значения гауссовой помехи, влияющей на опорный и информационный сигналы.

Выражение оценки инварианта, в котором присутствует помеховая составляющая в числителе и знаменателе соответствует реальному случаю. Если помеховая составляющая присутствует только в числителе, то это идеальный случай. Он обладает большей помехоустойчивостью, и с ним происходит сравнение реального случая в дальнейшем. Первое выражение оценки инварианта соответствует реальному случаю. В нем используется метод накопления с усреднением опорных посылок, обработанных расширенным синхронным детектором, для повышения помехоустойчивости

L " L

j=\\m=1 m=l ь

N

1=1

' £ kSanSQ) t £

—

on m=l

N

£(*INV• S2 (I)+)• S(г))

^оп т=1 ^ У (2)

Второе выражение соответствует идеальному случаю, когда в знаменателе выражения нет помехи и выглядит следующим образом:

1Ку=М_--5оп =

м

_f=l

N 'Son-

SonI.(kS2(j))

м

¿(¿INV-S(i)+ZU))-S(i) .м_

N

(3)

Z(*s20))

м

где к - коэффициент передачи канала; INV - заданный инвариант; Son - значение опорного сигнала; Е, - помеховая составляющая в числителе; г( - помеховая составляющая в знаменателе

5(/) = ^sin(27c-/n-A/-i)= i = (4)

/п - частота поднесущей;

А - амплитуда;

А/ - интервал дискретизации.

Анализ выражения (2) показывает, что в числителе образуется сумма N независимых нормальных случайных величин с матожиданиями, равными ¿ДОУчУ2^"), 1 = 1,N и дисперсиями, равными £2(г)су2, 1 = 1,N.

Эта сумма дает одну нормальную случайную величину с матожиданием, равным сумме матожиданий

т = ^к-ШУ-52(0=к-ТЮ/^2(0=к-1ЫУа, (5)

/=1 ы

где

¿52(/) = а. (6)

¿=1

Дисперсия такой случайной величины равна сумме дисперсий

1) = Х52(1)а2=а2Х52(1) = а<т2. (7)

/=1 ¿=1

Анализируя знаменатель (2) видим, что при усреднении образуется N случайных независимых нормальных величин с матожиданиями, равными к • 5-оп5 2 (у ) и дисперсиями, равными

Дисперсия одной случайной величины, образованной сложением N случайных величин с матожиданиями к-Б0П52(]) и дисперсиями 0 = а2' после сокращения 50п равна:

(9)

[у=1 ОП \ ¿0П У=1

Матожидание этой случайной величины равно: У=1 7=1

В идеальном случае, после аналогичных преобразований имеем в числителе одну случайную величину с матожиданием и дисперсией

т=к-ШУ-а/к-а = ШУ, (11)

\

к а к а

На основании формулы случайной величины частного двух независимых нормальных случайных величин и величине накоплений с усреднениями равной сорока, получим выражение плотности вероятности оценки инварианта в реальном случае:

,_ (яс-ЛШУа)2 405огД*-*-а)2

8оп-\/40 -о:--—

W(z)= 2Л е 2с2* |Х|Л=

(zr-tlNVa)2 A0Sla(x-ka)2

27tа2а

=°jSonj4Öe 2ст2а в 2<т20 xdx_ (]3)

о 2яа а

О __(zx-fclNVa)2 4052п(дс-Ьа)2

_jSon2M0g 2сЛ е 2Л ^

27га а

В идеальном случае с учетом (11), (12) получим:

оо г- *2a(z-INV)2

W(z) = \~p2-e 2а2 (14)

Заменим интеграл в (13) суммой по х. Зададим пределы суммирования по х. Введем сумму по z и зададим пределы суммирования по z. Получим следующее выражение:

^h2W(z)=^hz^W(zx)W{x)x-

оI "г ах

(15)

где пределы по х равны: Пределы по у — zx равны:

а1Х = кШЧ а-ЪауГа-, (18)

12

Ьп^кШУа+Ъс-Лг. (19)

Пределы по г равны:

а2=а2х/ьх-, (20)

Ь,=Ьа/ах, (21) Шаг изменения по переменной г равен

К<Ъг-ая)№г. (22)

Аналогично в (14) вводим сумму по г вместо интеграла и задаем пределы суммирования по г

аг=(кТта-Ъоу[а)1(.ка), (23)

Ь2=(кШУа+ЗоЛ)/(ка). (24)

Получаем следующее выражение

ьг

1. (25)

«г

Выражениям (13) и (14) соответствуют следующие кривые плотностей вероятностей для реального и идеального случаев приведенные на рис. 1 и 2.

Рис. 1 Реальный случай при П^У = 1

Рис. 2 Идеальный случай при ШУ = 1

Для оценки количественных характеристик предложенного метода использован известный подход оценки вероятности ошибки:

+ ^ (26) О гр

где .Рпер - попарная вероятность перехода символа, заданного инвариантом первым (ЕЫ\П) в символ, заданный инвариантом вторым (ШУ2) и наоборот;

Р\ - вероятность появления символа, заданного ШУ!; Р2 - вероятность появления символа, заданного ШУ2; первый интеграл - вероятность появления символа, заданного ШУ2, в то

время, когда послан символ, заданный ШУ1; второй интеграл - вероятность появления символа, заданного ЕЫЛП, в то время, когда послан символ, заданный ШУ2.

На основе оценки вероятности попарного перехода одного информационного элемента в другой и обратно оценена помехоустойчивость инвариантной системы передачи информации (ИСПИ). При этом сравнивались реальный и идеальный случай при прочих равных условиях.

На основе сделанного анализа помехоустойчивости ИСПИ показано, что система передачи обладает достаточной помехоустойчивостью и возможно перейти к вопросам технической реализации ИСПИ.

В третьем разделе рассмотрены общие вопросы организации эксперимен-

та: используемый датчик случайных чисел, точность и количество испытаний. Разработана имитационная модель ИСПИ и на ее основе после статистического моделирования получены данные о помехоустойчивости ИСПИ. Промоделировано поведение ИСПИ при различных длительностях информационной посылки.

Для проверки результатов моделирования попарная вероятность перехода одного символа в другой и обратно вычислялась методом Монте-Карло. Результаты, полученные обоими методами, сведены, в таблицы 1 и 2.

Расчет вероятности попарного перехода сигнала, образованного инвариантом ШУ1 в сигналы, образованные ЕУУ11 €{2,5}

и обработанного при К=1.

_Таблица 1

N п/п --16(2,5} Получ. Результата^^-— INV1-INV2 INV1-INV3 INV1-INV4 INV1-INV5

1 Ь отношение сигнал/шум 1,414 2,121 2,828 3,535

2 Р перехода ИДваЛИЗИрОВаН- ный случай теоретическая оценка 6,265x10'2 1,729x10"3 2,75 ЗхШ"6 3,148хЮ"10

3 Р перехода ндеализирован-ный случай экспериментальная оценка 5,880x10"2 0,600x10° 0 0

4 ^перехода реальный случай теоретическая оценка 8,571 хЮ'2 1,703x10"3 1,656хЮ"5 9,097xi О"9

5 ^перехода реальный случай экспериментальная оценка 6,010х 10"2 0,5999* Ю-3 0 0

Примечание: h INV1=0,707

Расчет вероятности попарного перехода сигнала, образованного инвариантом INV1 в сигналы, образованные INVi i £{2,5}

и обработанного при К=0,7.

_Таблица 2

N ^-HJVl-INVi, i €{2,5} ЕЧУ1- ВЧУ1- INV1- INV1-

п/п Полученные результатъГ-~~~___ INV2 INV3 INV4 INV5

1 h отношение сигнал/шум 0,989 1,484 1,979 2,474

2 Р перехода идеализированный случай теоретическая оценка 1,764x10"' 1,588* 10'2 7,670x10"4 1,489x10"5

3 Р перехода идеализированный случай экспериментальная оценка 1,362x10"' 1,350хЮ'2 4,0x10"4 0

4 Рперехода реальный случай теоретическая оценка 1,936x10"' 3,118хЮ"2 2.380Х10"3 9,263x10'5

5 Рперехода реальный случай экспериментальная оценка 1,365x10"' 1,390*10"2 3 .ОООхЮ"4 0

Примечание: Ь ШУ 1=0,494

Результаты моделирования поведения ИСПИ свидетельствуют о следующем: моделирование показало приемлемое значение вероятности попарного перехода символов при заданных отношениях сигнал/шум.

Проверка моделирования методом Монте-Карло подтверждает полученные результаты в наихудшем случае с точностью до порядка, в наилучшем - 6%.

Необходимо сравнить помехоустойчивость ИСПИ с помехоустойчивостью бинарной системы при когерентном приеме с амплитудной модуляцией (АМ). Напрямую вероятность попарного перехода символов в ИСПИ и вероятность ошибки в бинарной системе с АМ не сравниваются.

Однако, если принять во внимание, что бинарная система дает вероятность попарного перехода «0» в «1» и «1» в «0» при разных значениях к (отношения сигнал/шум), то можно рассмотреть специальный случай функционирования ИСПИ, когда ГЫУ1 = 0, а ЮТ2 может изменяться.

Этот случай в общем соответствует функционированию бинарной системы, когда «0» - нет сигнала, «1» - есть сигнал. Значение «1» может изменяться в сторону увеличения: 1,2,3 и т.д.

Для сравнения помехоустойчивости ИСПИ и бинарной системы с АМ при когерентном приеме необходимо рассмотреть для ИСПИ попарную вероятность перехода информационных элементов, заданных ШУ1 =0 и ШУ2 = ПчП/1, где г = 1,2, 3 и т.д. и определить А - отношение сигнал/шум для ШУ2.

Для бинарной системы с АМ при когерентном приеме определить Рош (вероятность ошибки) для И, равного И сигнала, образованного ГЫУ2 в ИСПИ.

Результаты расчета помехоустойчивости ИСПС в режиме, аналогичном функционированию бинарной системы для реального и идеального случаев с проверкой методом Монте-Карло сведены в таблицы 3 и 4.

Сравнение помехоустойчивости инвариантной системы и бинарной системы с амплитудной модуляцией при К=1

Таблица 3

N п/п ^ ^JNVWNVi i€(lA] Получ. результаты INV0-INV1 INV0-INV2 EW0-1NV3 INV0-INV4

1 h отношение сигнал/шум 0,707 1,414 2,121 2,828

2 Рош вероятность ошибки (когерентный прием с AM модуляцией) 3,085x10"' 1,580x10"' 6,400хЮ"2 2,250x10"2

3 Рперехода идеализированный случай теоретическая оценка 7,592хЮ"2 1,202x10"3 1,547x10"6 8,235x10"'°

4 Рперехода идеализированный случай экспериментальная оценка 5,820хЮ"2 0,600хЮ"3 0 0

5 ^перехода реальный случай теоретическая оценка 8,124х10'2 1,688хЮ"3 4,521хЮ"6 1,855х10'9

6 Рперехода рвЭЛЬНЫЙ СЛучаЙ экспериментальная оценка 5,860хЮ"2 0,700x10"3 0 0

Примечание: Ь ШУ0=0 Сравнение помехоустойчивости инвариантной системы и бинарной системы с амплитудной модуляцией при К=0,7 Таблица 4

N п/п i6(1,4} Получ. результаты INV0-INV1 INV0-INV2 INV0-INV3 INV0-INV4

1 h отношение сигнал/шум 0,494 0,989 1,484 1,979

2 Рош вероятность ошибки (когерентный прием с AM модуляцией) 3,25x10"' 2,42x10"' 1,460x10*' 8,05x10"2

3 Рперехода ИДеЭЛИЗИрОВаННЫЙ случай теоретическая оценка 1,356x10"' 1,934x10"2 1,054х10"3 7,212x1с"6

4 Рперехода идеализированный случай экспериментальная оценка 1,227x10"' 1,350х10"2 4,00x10"" 0

5 Рперсхода реальный случай теоретическая оценка 4,457*10-' 2,567хЮ-2 9,940x1o-4 4,132х10'5

6 ^перехода реальный случай экспериментальная оценка 1,233x10"' 1,370хЮ'2 4,00x10"4 0

Примечание: h INV0=0

Помехоустойчивость ИСПИ, оцененная вероятностью попарного перехода в специальном случае функционирования ИСПИ, аналогичном функционированию бинарной системы с АМ при когерентном приеме превышает помехоустойчивость такой бинарной системы в худшем случае на порядок.

В четвертом разделе рассматриваются вопросы технической реализации ИСПИ.

Особенностью построения структуры передачи является следующее: одновременная подстройка на частоту несущей и поднесущей.

Это дает возможность на приемной стороне выделить когерентное колебание поднесущей и минимизировать вероятность ошибки.

Тракт приема включает в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и спецвычислитель (СВ).

В спецвычислителе производится вычисление инвариантов на основе обработки АЦП результирующей работы расширенного синхронного детектора для опорных посылок и информационных элементов.

Для повышения верности в КВ каналах с глубокими замираниями используется решающая обратная связь, позволяющая передавать команды управления, которые приводят либо к повтору предыдущего блока передачи, либо к уменьшению объема информационной посылки.

Укрупненно тракт приема показан на рис. 3, состоящий из блоков ВУ - входное устройство; С Д - синхронный детектор; ФНЧ - фильтр низкой частоты;

ГОС - генератор опорного сигнала синхронного детектора; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; СВ - спецвычислитель;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.

Рис. 3 Укрупненный тракт приема

В приложении приведены описания и листинги моделирующих программ, акт использования результатов диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в диссертационной работе, позволяют сформулировать следующие основные результаты:

1. Исследована геометрическая модель канала передачи информации с переменными параметрами.

2. Предложено использовать метод относительной амплитудной модуляции в сочетании с заданием инвариантов при формировании сигналов передачи.

3. Предложена методика оценки помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации.

4.Методом статистического моделирования подтверждена правильность основных теоретических выкладок.

5. Разработаны алгоритмы работы передающей и принимающей частей инвариантной системы передачи информации.

Публикации по теме диссертации

1. Алгазин Е.И. Пути повышения скорости передачи и обработки информации

в высокоскоростных СПД. // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 1996, с. 58.

2. Алгазин Е.И. Обработка сигналов на базе отказоустойчивых транспьютерных систем. // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 1996, с. 59.

3. Алгазин Е.И. Оценка эффективности оптимизации сигналов для кабельных линий связи. // Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 1997, с. 154.

4. Алгазин Е.И. Каноническая модель канала связи с переменными параметрами. // Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 1998, с. 28.

5. Алгазин Е.И. Оптимизация спектра группового сигнала инвариантной системы передачи сообщений. // III Международная конференция «Современные информационные технологии СИТ-98», г. Новосибирск, 1998 г, с.153.

6. Алгазин Е.И. Анализ помехоустойчивости инвариантного метода передачи сообщений методами статистического моделирования. // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2004 г., с.43.

7. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы передачи сообщений. // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2005г., с.32.

8. Yu.I. Algazin. Geometrical Model of Communication Channels with Variable Parameters. // Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications / MEMIA, 2005. - Novosibirsk, Russia, 2005. - p. 119-121.

9. Yu.I. Algazin, Malinkin V.B. Estimation of Noise Immunity of Invariant Message Transfer System. // Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications / MEMIA, 2005. - Novosibirsk, Russia, 2005. - p. 138-141.

10. Алгазин Е.И. Геометрическая модель канала связи с переменными параметрами. // Вестник университетского комплекса. Выпуск 6 (20), г. Красноярск, НИИ СУВПТ, 2005.

11. Алгазин Е.И., Малинкин В.Б. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы обработки информации. // Вестник университетского комплекса. Выпуск 6 (20), г. Красноярск, НИИ СУВПТ, 2005.

Подписано в печать 28.03.2006, формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10, Усл.печ.л. 2,0, заказ № 43, тираж 100. СибГУТИ 630102, Новосибирск, ул. Кирова 86

!

I ( I

j

I

I

f;

IoqQ h ,

7 8 2*

г Введение

1. Разработка и исследование геометрической модели канала с переменными параметрами.

1.1. Анализ известных моделей каналов с переменными параметрами

1.2. Синтез геометрической модели канала с переменными параметрами

1.3. Анализ геометрической модели канала с переменными параметрами

1.4. Выводы.

2. Применение метода относительной амплитудной модуляции для каналов с переменными параметрами.

2.1. Анализ существующих методов передачи инфорации по каналам с переменными параметрами.

2.2. Сущность относительных методов передачи.

2.3. Сравнительный анализ использования различных способов обработки сигналов применительно к относительной амплитудной модуляции

2.4. Анализ помехоустойчивости инвариантного метода передачи

2.5. Выводы.

3. Экспериментальное исследование ИСПИ методом статистических испытаний.

3.1. Общие вопросы организации эксперимента.

3.2. Разработка имитационной модели исследуемой ИСПИ.

3.3. Анализ экспериментальных результатов

3.4. Выводы.

4. Техническая реализация инвариантной системы передачи информации

4.1. Разработка структурной схемы ИСПИ.

4.2. Разработка алгоритма работы передающей части ИСПИ

4.3. Разработка алгоритма работы приемной части ИСПИ.

4.4. Оценка требуемого быстродействия и объема памяти аппаратных средств.

4.5. Выводы.

Актуальность темы. Современный уровень развития систем обработки информации ставит задачу высокопомехоустойчивой передачи сигналов (информации).

Одним из аспектов этой задачи является безыскаженная передача информации по каналам с переменными параметрами.

Вопросам передачи информации по каналам с переменными параметрами посвящены многие исследования, проведенные отечественными учеными: Кремером И.Я., Владимировым В.И., Карпухиным В.И., Васильевым К.К., Петровичем Н.Т., Кловским Д.Д., Сифоровым В.И., и многими другими отечественными и зарубежными учеными.

Полученные этими учеными результаты относятся к передаче бинарного сигнала при воздействии комплекса мультипликативной и аддитивной помех.

Вопросами инвариантности занимались отечественные ученые: Окунев Ю.Б., Петров М.Н., Лебедянцев В.В., Малинкин В.Б.

Окунев Ю.Б. впервые рассмотрел принципы построения и характеристики систем передачи информации, обладающих свойствами нечувствительности (инвариантности) к некоторым типам помех.

Д.т.н., профессор Петров М.Н., разработал теорию управления информационными сетями на основе использования тензорной теории.

Д.т.н., профессор Лебедянцев В.В., выявил инвариант как отношение длин векторов информационного и опорного сигналов на входе и выходе канала передачи информации.

Д.т.н., профессор Малинкин В.Б. разработал теорию построения адаптивных фильтров на основе использования инвариантов.

Существующие способы передачи сигналов управления и информации в системах обработки информации зачастую не отвечают жестким требованиям по вероятности ошибки при заданной скорости передачи, ограничении ширины полосы пропускания канала и случайным изменениям параметров канала.

Существующие методы повышения достоверности сводятся к использованию всевозможных способов кодирования информации. Это приводит к удорожанию оборудования, снижению скорости передачи, использованию дорогостоящих алгоритмов обработки информации.

Все это привело к поиску новых путей решения данной задачи.

Одним из возможных подходов к решению данной задачи является совместное использование метода относительной амплитудной модуляции, предложенного Петровичем Н.Т., и инвариантного подхода при передаче информации.

Совокупность этих двух методов позволяет системе обработки информации быть устойчивой к воздействию мультипликативной помехи и иметь достаточно большой набор передаваемых значений инвариантов.

Такой подход позволяет упростить структуру системы обработки информации при улучшении качественных показателей: например, уменьшении вероятности ошибки.

Цель работы. Основной целью работы является разработка алгоритма безыскаженной передачи информации по каналам с переменными параметрами.

В соответствии с поставленной целью в работе формируются и решаются следующие основные задачи:

- анализ геометрической модели канала с переменными параметрами;

-исследование возможности использования метода относительной амплитудной модуляции в сочетании с использованием инвариантов и мерами по повышению помехоустойчивости;

- разработка методики оценки помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации (ИСПИ);

- исследование возможности технической реализации инвариантной системы передачи информации по результатам оценки помехоустойчивости;

- разработка структурной схемы инвариантной системы передачи информации .

Методы исследования. В работе использовался математический аппарат ^ теории вероятностей, линейной алгебры, вычислительной математики. Экспериментальное исследование инвариантной системы передачи информации проводилось методом статистического моделирования на ПЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведен анализ геометрической модели канала передачи информации с переменными параметрами.

2. Предложено использовать метод относительной амплитудной модуляции, как устойчивый к воздействию мультипликативной помехи, в сочетании с заданием инвариантов при формировании сигнала.

3. На основании метода преобразования случайных величин получено выражение плотности вероятности оценки инварианта, что позволило оценить помехоустойчивость инвариантной системы передачи информации.

4. Разработана структурная схема инвариантной системы передачи информации для случая обработки поднесущей расширенным синхронным детектированием.

Практическая ценность. Реализация результатов исследования вопросов построения инвариантной системы передачи информации позволит на практике добиться существенного снижения влияния мультипликативной и флук-1 туационной помех на верность передачи информации по каналам с переменными параметрами, и тем самым уменьшить вероятность ошибки.

Предложена методика оценки помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации по каналам с переменными параметрами.

Внедрение работы. Исследования, проведенные в ходе работы над темой, являются составной частью НИР по теме «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий». Получен акт о внедрении в производственную деятельность ООО «Лифт-комплекс ДС».

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, докладывались и обсуждались на

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1997;

- Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1997;

- Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1998;

- Третьей международной конференции «Современные информационные технологии СИТ-98», Новосибирск, 1998;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2004;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2005.

- Международной конференции «2005 Microwave Electronics, Measurement, Identification, Application - МЕМ1А2005», Новосибирск, 2005.

Публикации.

По теме диссертации автором опубликовано одиннадцать работ, в том числе четыре статьи.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Инвариантная система передачи информации, основанная на использовании относительной амплитудной модуляции, устойчивой к воздействию мультипликативной помехи.

2. Методика расчета помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации, основанная на методе преобразования случайных величин.

3. Устройство, реализующее инвариантные алгоритмы обработки информации.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, приложений.

4.5 Выводы

1. Показано, что процесс передачи информационных последовательностей будет происходить с последующей повторной передачей заново искаженных мультипликативной помехой информационных последовательностей до тех пор, пока не будут переданы все информационные последовательности без искажений. Это позволяет повысить помехоустойчивость ИСПИ.

2. Доказано, что необязательно использовать АРУ в приемнике прямого канала ИСПИ. Это сильно упрощает структурную схему.

3. Время оцифровывания результирующей работы расширенного синхронного детекторах помощью АЦП меньше длительности интервала дискретизации поднесущей.

4. Разработана структура ИСПИ на известных узлах и составляющих.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги работы, которой посвящен предыдущий материал, можно сказать следующее: проблема безыскаженной передачи информации всегда была одной из важнейших при разработке инвариантной системы передачи информации.

В диссертационной работе рассмотрено решение данной задачи за счет совместного использования инвариантности, относительной амплитудной модуляции и мер по повышению помехоустойчивости ИСПИ (накоплению с усреднением опорных посылок).

К основным результатам работы можно отнести следующие:

1. Исследована геометрическая модель канала с переменными параметрами.

2. Использована относительная амплитудная модуляция, устойчивая к воздействию мультипликативной помехи, при обработке сигнала расширенным синхронным детектором.

3. Получено выражение плотности вероятности оценки инварианта для расчета вероятности ошибки, матожидания и дисперсии этой величины при наличии в канале мультипликативной и аддитивной помех.

4. Результаты имитационного моделирования ИСПИ свидетельствуют о следующем:

Моделирование показало приемлемую вероятность ошибки при заданных отношениях сигнал/шум.

Машинное моделирование подтверждает результаты, полученные на основе выражения плотности вероятности оценки инварианта.

5. Структурная схема ИСПИ проста и позволяет реализовать на практике метод ОАМ в сочетании с инвариантностью и мерами по повышению помехоустойчивости.

Все вышесказанное позволяет сделать предположение о работоспособности синтезированного метода передачи на реальных каналах передачи информации.

Предложенные в диссертационной работе решения соответствуют существующей в настоящее время тенденции в технике передачи информации, направленной на повышение безыскаженности передачи информации.

Рассмотрены вопросы быстродействия потребности памяти и погрешно

1. Окунев Ю.Б. Системы связи с инвариантными характеристиками помехоустойчивости. М.: Связь, 1974. - 80 с.

2. Беклемишев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. -М.: Наука, 1984.-320 с.

3. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. М.: Сов. радио, 1969. - 752 с.

4. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука, 1987. 240 с.

5. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968. 355 с.

6. Поляков П.Ф. Прием сигналов в многолучевых каналах. М.: Радио и связь, 1986.-247 с.

7. Соболь Н.М. Метод Монте-Карло. М.: Наука, 1968. 217 с.

8. Смирнов В.А. Основы радиосвязи на ультракоротких волнах. М.: Связь-издат, 1957.-819 с.

9. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. Изд. 2-е переработ, и доп. М.: Связь, 1972. 359 с.

10. Зюко А.Г. Основы теории передачи сигналов. Том 1. Теория сигналов. Учебное пособие. Одесса, 1968. 94 с.

11. Зюко А.Г. Основы теории передачи сигналов. Том 2. Теория информации и теория помехоустойчивости. Учебное пособие. Одесса, 1967. 175 с.

12. Курицин С.А. Теоретические основы построения адаптивных систем передачи. Ленинград.: изд. ЛЭИС, 1983. 180 с.

13. Г.Корн и Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Под ред. И.Г. Арамановича. М.: Наука, 1968. 720 с.

14. Заездный A.M., Окунев Ю.Б., Рахович Л.М. Фазоразностная модуляция и ее применение для передачи дискретной информации. М.: Связь, 1967. -304 с.

15. Теплов Н.Л. Помехоустойчивость систем передачи дискретной информации. М.: Связь, 1964. 359 с.

16. Алгазин Е.И. Пути повышения скорости передачи и обработки информации в высокоскоростных СПД. // Российская научно-техническая конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций».- Новосибирск, 1996. ~ с. 58.

17. Алгазин Е.И. Обработка сигналов на базе отказоустойчивых танспьютерных систем // Российская научно-техническая конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций». — Новосибирск, 1996. с. 59.

18. Передача информации с обратной связью. Под ред. З.М. Каневского. М.: Связь 1976

19. Алгазин Е.И. Оценка эффективности оптимизации сигналов для кабельных линий связи. // Международная науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций». Новосибирск, 1997. - с. 154.

20. Алгазин Е.И. Каноническая модельканала связи с переменными параметрами. // Международная науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций». Новосибирск, 1998. - с. 28.

21. Алгазин Е.И. Оптимизация спектра группового сигнала инвариантной системы передачи сообщений. // III Международная конференция «Современные информационные технологии СИТ-98». Новосибирск, 1998. -с. 153.

22. Алгазин Е.И. Анализ помехоустойчивости инвариантного метода передачи сообщений методами статистического моделирования. // Российская науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций». Новосибирск, 2004. - с. 43.

23. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы передачи сообщений. // Российская науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций». Новосибирск, 2005. - с. 32.

24. Кремер И.Я. и др. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. Под ред. И.Я. Кремера. М.: Сов. радио, 1972. 480 с.

25. Васильев К.К. Прием сигналов при мультипликативных помехах. Саратов. Издательство саратовского университета, 1983. 128 с.

26. Кловский Д.Д. Вопросы поменциально помехоустойчивости при замираниях сигнала. Радиотехника, 1960, т.15, № 5. - с. 17-25.

27. Кириллов Н.Е. Помехоустойчивая передача сообщений по линейным каналам со случайно изменяющимися параметрами. М.: Связь, 1971. 256 с.

28. Сифоров В.И. Об условиях получения высокой пропускной способности каналов связи со случайными изменениями параметров. Электросвязь,1958, № 1.

29. Дехтяренко П.И. Синхронное детектирование в измерительной технике и автоматике. Киев.: Техника, 1965. 314 с.

30. Костас Дж. Синхронная связь. Перевод № 6206. Новосибирск, 1977.

31. Системы фазовой автоподстройки частоты с элементами дискретизации. Под ред. Шахгильдяна B.B. М.: Связь, 1979. 224 с.

32. Пуртов Л.П., Пушкин В.М. Синхронизация и фазирование в аппаратуре передачи дискретных сообщений. ЛЭИС, Ленинград, 1985. 65 с.

33. Шварцман В.О., Емельянов Г.А. Теория передачи дискретной информации. М.: Связь, 1979. 424 с.

34. Шляпоберский В.П. Основы техники передачи дискретных сообщений. М.: Связь, 1973.-480 с.

35. Первачев C.B., Валуев A.A., Чиликин В.М. Статистическая динамика радиотехнических следящих систем. М.: Сов. радио, 1973. 488 с.

36. Шахгильдян В.В., Лохвицкий М.С. Методы адаптивного приема сигналов. М.: Связь, 1974. 159 с.

37. Кульман Н.К. Оптимальное выделение амплидутномодулированного сигнала из шумов при помощи синхронного детектирования. «Радиотехника и электроника», 1964, Выпуск 5.

38. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифровым преобразователям. Перевод с англ. под ред. Рюжина Ю.А. М.: Радио и связь, 1982.-552 с.

39. Петрович Н.Т., Чуйко Э.А. Относительные методы передачи информации. Письменная лекция. Редакционно-издательский отдел ВЗЭИС. Москва, 1972.-39 с.

40. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. М.: Сов. радио, 1965. - 263 с.

41. Лебедянцев В.В. Разработка и исследование методов анализа и синтеза инвариантных систем связи. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Новосибирск, СибГАТИ, 1995.

42. Малинкин В.Б. Повышение помехоустойчивости принимаемых сигналов на основе модифицированных фильтров Калмана в относительных компенсационных методах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Омск, ОмГТУ. 2003.

43. Yu.I. Algazin. Geometrical Model of Communication Channels with Variable Parameters. // Microwave electronics: Measurements, Identification, Applications / MEMIA, 2005. Novosibirsk, Russia, 2005. - p. 119-121.

44. Yu.I. Algazin, V.B. Malinkin. Estimation of Noise Immunity of Invariant Message Transfer System. // Microwave electronics: Measurements, Identification, Applications / MEMIA, 2005. Novosibirsk, Russia, 2005. - p. 138141.

45. Окунев Ю.Б., Яковлев Л.Я. Широкополосные системы связи с составными сигналами. М.: Связь 1968.

46. Кловский Д.Д., Николаев Б.И. Инженерная реализация радиотехнических систем. М.: Связь 1975.

47. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Пер. с англ. Ю.В. Прохорова. М.: Мир 1976.

48. Крамер Г. Случайные величины и распределения вероятностей. М.: ГИ-ИЛ 1947.

49. Болыпев Л.Н. О преобразваниях случайных величин. Теория вероятностей и ее применения. IV вып. 2 1959.

50. Хворостенко Н.П. Оценка качества радиосвязи по каналам с переменными параметрами // Радиотехника 1976 №8 стр. 18-21.

51. Бухвинер В.И. Оценка качества радиосвязи. М.: связь 1974.

52. Казаков В.А. Помехоустойчивость оптимальных приемников, находящихся под воздействием белого шума и меняющегося сигнала. Известия вузов, серия Радиоэлектроника 1974, т 17, №10 стр. 16-22.

53. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов. Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1990 г.

54. Чуркин Е.И. Следящие фазовые системы и помехоустойчивость радиосвязи. Саратов, издательство Саратовского университета, 1983.

55. Кловский Д.Д. О помехоустойчивости систем прерывистой связи. Труды учебных институтов связи. Вып. 8 1961.

56. Немировский М.С. Помехоустойчивость радиосвязи. М.: Энергия 1966.

57. Дорман М.И., Поддубный В.Н. О структуре решающих устройств для распознавания сигналов. Радиотехника и электроника. Том 14, №5 1969.

58. Коржик В.И., Финк JI.M., Шелкунов К.Н. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений: Справочник. М.: Радио и связь, 1981 -231 с.

59. Поляков П.Ф. Прием сигналов в многолучевых каналах. М.: Радио и связь, 1986.

60. Алгазин Е.И. Геометрическая модель канала связи с переменными параметрами // Вестник университетского комплекса. Выпуск 6 (20), Красноярск: НИИ СУВПТ, 2005.

61. Алгазин Е.И., Малинкин В.Б. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы обработки информации. // Вестник университетского комплекса. Выпуск 6 (20). Красноярск: НИИ СУВПТ, 2005.

62. Боккер П. Передача данных. Техника связи в системах телеобработки данных: в 2х томах. / Пер. с нем. С.М. Широкова под ред. Д.Д. Кловско-го. М.: Связь, 1980 264 с.

63. Виноградов Р.И., Курицын С.А. Новые технические средства СПД. Современные устройства преобразования сигналов 2305, 2306: Учебное пособие /Ленинградский электротехнический институт связи им. М.А. Бонч-Бруевича. Л.: ЛЭИС, 1990.

64. Зелигер Н.Б. Основы передачи данных. М.: Связь, 1974 200 с.

65. Пенин П.И., Филиппов Л.И. Радиотехнические системы передачи информации: Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984, - 256 с.

66. Архипов М.Н. Передача дискретной информации по низкоскоростными каналам связи. М.: Связь, 1980 - 127 с.

67. Григоровский Л.Ф. и др. Разработка и реализация алгоритмов цифровой обработки и передачи сигналов в системах связи. Ленинград. ЛЭИС, 1988-62 с.

68. Долуханов М.П. Оптимальные методы передачи сигналов по линиям радиосвязи. М. «Связь», 1965 172 с.

69. Колтунов М.Н. и др. Синхронизация по циклам в цифровых системах72.73,74.75,76,77,7879,80