автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка эффективных методов комбинирования сигналов при радиоприеме с разнесением по пространству и поляризации

МИНИСТЕРСТВО.СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский ордена Трудового Красного Знамени технический университет связи и информатики

На ггравах руколиси

Бухали Саяем Бен Али

УДК 621.391

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ КОЖИНИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ПРИ РАДИОПРИЕМЕ С РАЗНЕСЕНИЕМ ПО- ПРОСТРАНСТВУ Е ПОЛЯРИЗАЦИИ

Специальности: 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства 05.12.02 - Системы и устройства передачи информации по каналам связи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на каждое радиоприемных устройс. з московского ордена Трудового Красного Знамени 1 технического университета связи и нформатики.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

КАРА'ЛОВ З.С.

- кандидат технических наук ,профессор ТЕРЯЕВ Б.Г.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

радио (НШР)

Защита состоится 1992 г. в " ^ " часов

на заседании специализированного совета К 118.06.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском ордена Трудового Красного Знамени техническом университете связи и инфогалатик:*.

Адрес: 105855, ГСП, г.Москва, ул. Авиамоторная, д. 8-а,ЩС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета К П8.06.03, к.т.н., доцент

В.Н.Федосеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на бурное развитие спутниковых, радиорелейных и кабельных сетей связи, обеспечивающих передачу большого объема информации, радиолинии де-каметрового диапазона волн сохраняют свое значение в общем комплексе средств связи как очень ценное резервное средство, позволяющее осуществлять передачу информации на большие расстояния.

Существующие системы связи декаметрового диапазона обеспечивают магистральную, зоновую и местную радиосвязь, сеть радиовещания, службу стандартных частот, авиационную связь "Земля-воздух", юрскую связь "берег-судно", дипломатические службы, службы агентств новостей, слукбу радиосвязи железнодорожного транспорта, различные наземные подашшые службы и т.д.

Устойчивость и надежность дальней радиосвязи на декаметро-вых волнах существенно зависит от распространения волн, для которого характерны шюголучевость и замирания сигналов, резко снижающие качество связи и ее надежность. Данная диссертация посвящена проблеме повынения надежности и качества приегга сигналов в радиолиниях декаметрового диапазона волн.

Основной путь решения этой задачи состоит в использовании разнесенного приема. Последний позволяет не только ослаблять влияние замираний и ыноголучевости, но и компенсировать некоторые виды помех.

Характерной особенностью коротковолнового диапазона является слабая корреляция сигналов, разнесенных по поляризации. Это позволяет использовать для повышения надежности связи поляризационное разнесение самостоятельно, либо совместно с другими . видами разнесения, например, пространственным.

Важным вопросом в реализации разнесенного приема является выбор метода комбинирования сигналов. В настоящее время известно свыше двух десятков методов додетвкгорного и последетектор-ного комбинирования сигналов. Наиболее известными являются методы автовыбора (оптимальный автовыбор, автовыбор по максимуму уровня "сигнал+помеха"), линейное и оптимальное сложение.

Наиболее эффективным, но трудно реализуемым способом комбинирования разнесенных сигналов является оптимальное сложение,

/от

в котором сигналы, принятые с разных ветвей разнесения, фазируются и затем суммируются с весами, пропорциональными отношению сигнал-шум в каждом канале. Из-за чрезмерной сложности реализации данный метод пока еще не получил широкого распространения. Однако бурное развитие цифровой и микропроцессорной техники и технологии изготовления сверхбольших быстродействующих интегральных схем позволяет надеяться на возможность реализации алгоритмов оптимального сложения в цифровом исполнении.

В связи с этим актуальной является проблема синтеза опткгапь-»

нкх или квазиоптимальных алгоритмов цифровой обработки разнесенных" сигналов и исследование их характеристик.

Целью настоящей диссертация является разработка квазиоптшальных конструктивных алгоритмов дискретной обработки сигналов, разнесенных по пространству и поляризации, и использование их совместно с другими методами для повышения эффективности систем связи декаметрового диапазона.

Основные задачи исследования.

1. Исследование и разработка способов комбинирования сигналов при одновременном использовании разных видов разнесенного приема.

2. Разработка дискретных марковских моделей, аппроксимирующих реальные процессы для сигналов,разнесенных по пространству и поляризации.

3. Разработка оптимальных и квазиоптшальных дискретных алгоритмов совместной фильтрации дискретно-непрерывных марковских процессов и использование их для синтеза оптимального приемника разнесенных сигналов.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование разработанных алгоритмов.

5. Поиск оптимальных методов комбинирования при разнесении

с одновременной компенсацией помех и ослабления влияния замираний.

6. Разработка новых типов антенн, сочетающих высокую эффективность разнесения с простотой и экономичностью конструкции и территориальной экономикой.

7. Сравнение разработанных алгоритмов с другими способами обработки разнесенных сигналов.

Методы научного исследования включают в-себя аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории оптимальной нелинейной фильтрации и статистической радиотехники.

Научная новизна работы 'состоит в следующем:

1. В дискретном времени решена задача совместной фильтрации марковских цепей и непрерывнозначннх марковских процессов,и разработаны оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы совместной фильтрации.

2. Предложен новый подход к решению .задачи нелинейной фильтрации, заключающейся в разделении вектора наблюдений на компоненты с независимыми параметрами и шумами, позволяющий существенно упростить процедуру синтеза и реализацию алгоритма обработки сигналов, разнесенных до пространству и поляризации.

3. Для адаптивной компенсации узкополосных помех при поляризационной обработке сигналов предложен новый метод формирования опорного канала без наличия в нем полезного сигнала, но с наличием помехи, позволяющий путем простой весовой обработки осуществить полное или частичное подавление помехи.

Практическая ценность диссертации.

1. На основе предложенных в диссертации методов синтеза разработан дискретный квазикогерентный 'алгоритм пространственно-поляризационной обработки сигналов с относительной фазовой манипуляцией, позволяющей обеспечить потенциально достижимый выигрыш от разнесения сигналов, равный 17 ДБ при одинаковой средней вероятности и 12 дБ при одинаковой надежности связи, по сравнению с одиночным приемом.

2. Исследовано влияние неточности фильтрации квадратурных коэффициентов передачи канала связи и фазы принимаемого сигнала на помехоустойчивость приема.

3. Исследовано влияние скорости замираний на помехоустойчивость приеш разнесенных сигналов.

4. Разработан адаптивный алгоритм компенсации узкополоснкх помех при квазикогерентной обработке разнесенных по поляризации сигналов, обладающий; еысокой скоростьы сходимости и больней степенью подавления помех (пропорциональной мощности пошхп).

5. Исследованы характеристики полуромбической антенны, позволяющей б простейшем варианте осуществить сложение сигналов, разнесенных по поляризации.

6. ¡де годом статистического моделирования проведены исследования разработанных алгоритмов, подтвердившие их работоспособность и высокую эффективность.

Апробация диссертации. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов в г.Ростове ж профессорско-преподавательских конференциях МИС.

Личный вклад автора. Лично автору принадлежат все результаты, сформулированные в подразделах "научная новизна" и "практическая ценность".

II у б л и к а ц и и. По материалам диссертации опубликована одна монография, 5 статей.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 35 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 77 наименований и 2 приложений на' 19 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм совместной фильтрации дискретного и непрерывных параметров при приеме разнесенных сигналов обеспечивает оптимальное весовое сложение, причем весовыми коэффициентами являются оценки квадратурных составляющих принимаемых сигналов.

2. Разнесение по поляризации в декаметровом диапазоне является более эффективным, чем разнесение по пространству, в системах с ограниченной площадью размещения антенн (подвижная связь

с морской и авиационной службами),так как замжран)и сигналов разнесенных по поляризации будут в меньшей степени коррелировали.

3. Разработка методики анализа помехоустойчивости алгоритма обработки разнесенных сигналов с оптимальным весовым сложением, учитывающей неточность формирования весовых коэффициентов.

4.При когерентном приеме разнесенных сигналов возможно осуществление адаптивной компенсации узкополосной помехи без оценивания ее параметров, адаптируясь лишь по знаку расстройки по-

мехи относительно несущей частоты сигнала.

СОДВРЖАНИЗ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы цель и основные направления исследований.

В первой главе диссертации приводится обзор научно-технической литературы, посвященной данной теме,и анализ состояния проблемы повышения эффективности систем «вязл, работающих в декаглзтровом диапазоне золк, на современном эта ¡и. Характерной особенностью декаде трового диапазона .является замирание сигнала, вызванное многолучевостыо распространения и интерференцией волн. Наиболее эффективным методом борьбы о замираниями .является.разнесенный прием. Существуют разные способы разнесения сигналов: пространственное, поляризационное, частотное, временное, угловое и другие виды. В первой глазе коротко рассмотрены все перечисленные вида разнесения и проведено ;гх сравнение. На основе обзора литературы делается вывод об эффективности разных способов разнесения в декаметровом диапазоне: Показано, что наиболее эффективным является поляризационное разнесение. Это объясняется следующим. Во-первых, затирания сигналов, разнесенных по поляризации з данном диапазоне,практически некоррелированы. Во-вторых, антенны для приема разнесенных сигналов располагаются в одной точке, что не требует увеличения геометрической площади для их размещения (по сравнен;® с пространственным разнесением) , что особенно актуально для подзикнкх систем связи. По сравнению с частотным и временным разнесением поляризационное не требует расширения полосы частот и не приводит к уменьшению скорости передачи информации-

Однако, поляризационное разнесение позволяет получить.только два сигнала с некоррелированным! замираниями, что теоретически обеспечивает повышение помехоустойчивости на 17-20 децибедл. Для дальнейшего повышения помехоустойчивости можно предложить использование совместного пространственно-поляризационного разнесения.

Помимо вида разнесения на характеристики помехоустойчивости большое влияние оказывает выбор способа комбинирования разнесенных сигналов. В диссертация рассмотрели наиболее распространенные методы комбинирования: оптимальное сложение, линейное сложение, автовыбор и их разновидности. Наиболее эффективным из них

^of

7

является оптимальное когерентное сложение сигналов.

По результатам анализа, проведенного в первой главе, определены основные направления' дальнейших исследований и основные задачи, решение которых позволяет достичь поставленной ноли.

Вторая глава диссертации посвящена синтезу оптимального дискретного алгоритма прострапственко-поляризационнок обработки сигналов и использованию его для разработки квазикогерентного приемника сигналов с относительной фазовой манипуляцией,разнесенных по пространству и поляризации.

На основе анализа теоретических исследование и экспериментальных данных по распространению-волн в декамзтрозоы диапазоне разработана обобщенная модель какала связи. Показано, что поляризационные затирания могут быть описана а вида четкрехпара-ыетрической. модели для квадратурных коэффициентов передачи канала, флуктуации которых с высокой степенью точности аппроксимируются марковскими процессами и описываются разностныш уравнениями первого порядка. Помимо квадратурных коэффициентов принимаемый сигнал является нелинейной функцией от флуктуирующей фазы, которую при когерентном приеме необходимо оценивать. Показано, что флуктуации фазы также являются марковским процессом, поэтому для синтеза алгоритма обработки используется теория оптимальной нелинейной фильтрации марковских процессов.

Кроме непрерывных по значению параметров наблюдаемый сигнал зависит также от дискретного параметра, который является информационным'параметром и его необходимо оценивать. Это потребовало разработки алгоритма совместной фильтрации непрерывных и дискретных параметров.

Полученный оптимальный алгоритм из-за чрезмерной сложности невозможно реализовать на практике в реальном времени даже '.на сверхбыстродействующих микропроцессорах. Поэтому на его основе синтезирован квазиоптиыальный алгоритм фильтрации, который основан на гауссовской аппроксимации апостериорного распределения вектора непрерывных параметров X •

Полученные результаты использованы для синтеза алгоритма оптимальной пространственно-поляризационной обработки сигналов. Следует отметить, что,несмотря на использование гауссовской ап-цроксимации,синтезированный алгоритм оказался сложным для практической реализации, особенно при большом числе ветвей разнесе-

ШШ| Это объясняется большой размер*: остыэ вектора нспрзрц-ла'х параметров и, как следствие, этого, большим числом решаемых уравнений для вычисления параметров апостериорного распределения. Во второй главе диссертации разработан подход, позволяющий сократить число решаемых уравнений, уменьшить число операций и в итоге упростить реализацию и снизить требования к быстродействию. Суть его состоит в разложении вектора наблюдений У по некоторому базису, в результате чего он распадается на составляющие с независимыми шумами и независимыми компонентами вектора X. Это позволило осуществить раздельную фильтрацию компонент век-ющХ/ а вместо одного многомерного алгоритма со сложными корреляционными связями использовать .несколько одномерных алгоритмов. При четырех ветвях разнесения (двух по поляризации и двух по пространству) количество используемых вычислительных операций. сокращается более чем на порядок. При большем числе ветвей разнесения выигрыш в сокращении числа операций еще больше.

В заключение второй главы, полученные результаты использованы для разработки квазикогерентного приемника сигналов с относительной фазовой манипуляцией при пространственно-поляризационном разнесении.

В третье й , главе диссертационной работы исследуется помехоустойчивость разработанного приемщика сигналов с относительной фазовой манипуляцией, разработана методика ее оценки и получены аналитические выражения для различных показателей помехоустойчивости. Основное внимание уделено случаям, • когда сигналы в--,отдельных ветвях разнесения некоррелированы, а также противоположной ситуации, когда сигналы в отдельных ветвях жестко коррелировали.

Для систем связи с замираниями сигналов наиболее распространенными показателями помехоустойчивости являются средняя вероятность ошибки и надежность связи. Под надежностью связи здесь понимается вероятность того, что качество связи (вероятность ошибки) будет не хуже некоторого порогового значения за весь сеанс.

Исследование этих показателей проведены для трех случаев:

I. Предполагаются идеальными фильтрация квадратурных коэффициентов и синхронизация по фазе. Этот случай соответствует оптимально^ когерентному приему и характеризует потенциально

достижимую помехоустойчивость.

2. Реальная фильтрация квадратурных составляющих и идеальная синхронизация по фазе. Этот случай характеризует влияние флуктуации квадратурных коэффициентов на помехоустойчивость приема.

3. Реальная фильтрация квадратурных составляющее и реальная синхронизация по фазе.

Для первых двух случаев получены аналитические выражения показателей помехоустойчивости и проведены экспериментальные исследования. дая третьего случая поиехоустоВтавость исследована только экспериментально.

На основании проведенного анализа сделаны следующие выводы.

1. Разработанный дискретный алгоритм позволяет получить потенциально дсстишаый выигрыш от разнесения сигналов, состаа-пг-ЗД!- 17-20 дизеля при переходе от одиночного првеш к прие-

с д-зумя петзяг.ш разнесения и 7-10 дешбелл при переходе от двукратного разнесения к четырехкратному при одинаковой средней.' вероятности ошибки.

2. ,-лл разработанного алгоритма характерно наличие предельной вероятности ошибки при бесконечном отношении сигнал-шум. Однако при использовании разнесенного приема, начиная с двух ветве:! ,а ¡сирине спектра флуктуаций квадратурных коэффициентов, не превышающего 10 Гц, значения предельной вероятности ошибки " меньше что допустимо для большинства систем связи,используемых на практике.

3. 1ю сравнению с оптимальным некогерентныы приемником 0й<1 сигналов, синтезированный алгоритм обеспечивает выигрыш в отношении сигнал-шум от I до 4 дзцибелл при одинаковой вероятности ошибки, причем зеличина выигрыша растет с увеличением кратности разнесения.

4. Наличие флуктуаций фазы несущей частоты сигнала, вызванных нестабнльностями генератороз в приемнике и передатчике, изменением местоположения объектов связи и смещением верхних слоев ионосферы, приводит к ухудшению помехоустойчивости прнеш. Степень ухудшения зависит от ширины спектра флуктуаций и не превышает 1-3 децибелл при ширине не более 10 Гц. Величина выигрыша по сравнению с некогерентным приемом сохраняется.

Четвертая глава посвящена адаптивному мето-

ду '■".оыпенсатдли узкополосных помех в сочетании с полярт:за'"тен-hdí обработкой. Узкополоснке помехи являются наиболее- распространенный! в декамзтровом диапазоне.

¡•1дея адаптивной компенсации основана на наличии двух более каналов приема, в которых могут наблюдаться как полезть: сигнал, так и помехи. Причем сигнал и помехи,наблюдаемые з разных каналах,должны иметь различные коэффициенты корреляции. Наиболее эффективное подавление помехи достигается в случае, когда существуют каналы, в которых сигнал отсутствует, а по:ю— ха присутствует. В этом .случае путем адаптивной весовой ог'-рг.-ботхи процесса в этом канале формируется копия помехи, которая затеи вычитается из процесса в основном канале,и происходит ее' компенсация. Поэтому основной задачей в адаптивной компенса является поиск методов формирования дополнительных каналов, для квазикогерентного приема сигналов с поляризационным разнесением эта задача решена в четвертой главе диссертации.

.'Лодеяь канала в этом случае представляет? собой аддитивную смесь сигнала, узкополосной помехи и белого гауссовского :пу:„а. В разработанном во второй главе приемнике предварительно осуществляется дискретизация и разделение наблюдений, после чего осуществляется их весовое сложение и на входе решающего устройства наблюдается аддитивная смесь сигнала, потехи и шу:-:я. Амплитуда помехи здесь зависит от согласованности ее потт.у.:за-цяи с поляризацяей полезного сигнала и з спу.чае ортогональности мо::сет быть равна нулю. Однако з обще:.; случае после такс;: предварительной обработки остаток помех;; сохраняет«:,": oxv необходимо компенсировать. Это достигается путем адаптлзнсо: обработки.

Было найдено такое линейное преобразование вектора наблюдений, в результате которого формируется процесс , содержащий помеху, но без сигнала, причем помеха здесь отличается от помехи в основном канате только фазой (на 90°). После преобразования Гильберта этого процесса получается помеха, отличающаяся только знаком, причем он определяется знаком расстройки несущей частоты помехи относительно центральной частоты сигнала. Следовательно, осуществляя весовое сложение данного процесса с процессом в основном канале и осуществляя адаптацию по знаку,мокко осуществить полную компенсацию помехи. Адаптация зесового коэф-

уициента происходит рекуррентно по известному алгоритму минимума среднего квадрата ошибки.

Получены аналитические выражения для среднего значения весового коэффициента, его среднего квадрата и суммарной мощности иума ж помехи на выходе адаптивного компенсатора. Они характеризуют скорость адаптации и выигрыш в отношении сигналДпо-ыеха+шум) от использования компенсатора.

Методом статистического моделирования было проведено экспериментальное исследование разработанного алгоритма. Преобразователь Гильберта был реализован в виде тридцатидвуэфазрядно-го трансверсального фильтра с нечетной импульсной характеристикой.. Эти исследования подтвердили работоспособность и высокую эффективность разработанного адаптивного компенсатора. В отли-адзот известных алгоритмов.адаптивной компенсации,предложенный обладает более быстрой сходимостью благодаря использованию адаптации всего лишь по одновд коэффициенту.

В заключении изложены основные результаты диссертационно й работы, которые сводятся к следующему:

1. На основе обзора и анализа научно-технической литературы по организации и построению систем связи в декаметровом диапазоне волн поставлены задачи и выявлены основные направления научных исследований, отраженных в диссертации.

2. Разработан оптимальный алгоритм квазикогерентной обработки сигналов, разнесенных по пространству и поляризации, работающий в дискретном времени.

3. Предложен подход к преобразованию и дискретизации наблюдений, позволяющий существенно упростить процедуру синтеза и 'реализацию алгоритма обработки за счет осуществления раздельной

фильтрации флуктуирующих параметров сигнала.

4. Анализ синтезированного алгоритма дискретной обработки сигналов с относительной фазовой манипуляцией показал, что данный алгоритм позволяет получить потенциально достижимый выигрыш от разнесения сигналов (17-20 дБ при одинаковой средней вероятности и 12 дБ при одинаковой надежности связи).

5. По сравнению с оптимальным некогерентным линейным сложением разнесенных сигналов разработанный алгоритм обеспечивает выигрыш от I до 4 дБ в зависимости от числа ветвей разнесения.

6. Показано, что наиболее эффективно использовать поляризационное разнесение в системах, где невозможно обеспечить некоррелированность замираний сигналов, разнесенных по пространству.

7. Разработан адаптивный алгоритм компенсации узкополсснглс помех, реализуемый совместно с алгоритмом когерентной обработки разнесенных сигналов. Адаптация осуществляется всего по одному весовому коэффициенту, что обеспечивает зысокую скорость сходимости. Эффективность такого алгоритма обратно пропорциональна отношению шум-помеха, т.е. мощные помехи подавляются с большей эффективностью, независимо от несущей частоты помехи. .

8. Проведены экспериментальные исследования методом статистического моделирования синтезированных алгоритмов, которые подтвердили их работоспособность и зысокую эффективность.

В приложен и я приведены программы моделирования разработанных алгоритмов.

CliilCOX 1;УБШ1КАЦ:Ы

1. Бухали Салем. О новом подходе к описанию процессов распространения радиоволн. Статья депонирована в ЦНТП "Информсзлзь"

1417, 1989.

2. Бухали Сэлем. Синтез оптимального алгоритма прсстренстзет:;-поляризационной обработки. Радиотехника, 13Э1, - ii 2.

3. Бухали Салем. Адаптивная компенсация узкополосных помех при когерентной поляризационной обработке сигналов. Сборник тезисов докладов научно-технической конференция молодых спетп:".-лис тов.-Ростов, 1990.

4..Бухали Салем. Совместная фильтрация дискретных и непрерыв* >-знаяных марковских последовательное ге£. ?»ько?с;<ника, ID9I, - ,'ё 7.

5. Бухали Салем, Носов О.Г. Telstar - Все дгя спутникового г-:.;.с-видения. Техника кино и телевидения, 1ЬУ£. - 8.

6. Бухали Салем, Беляев B.C. помехоустойчивость, боокоурдкяат-ный метод анализа радиофизически процессов и разнесенный прием в диапазоне КЗ. ..¡осква.^Радио и связь,

Подписано в печать 25.02.92 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 0,7 уел п.л. Тираж 100 экз. Заказ .'« 107. Бесплатно.

ООП Ш "Информсвязьиздат". Москва, ул.Авиамоторная, Ь.