автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование многопользовательских систем связи с ортогональным разделением сигналов на основе функций Уолша

004699552

На правах рукописи

ДУЛИН МИХАИЛ ИГОРЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ФУНКЦИЙ УОЛША

Специальность - 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О СЕН 2010

Таганрог-2010

004609552

Работа выполнена в Технологическом институте Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» в г. Таганроге на кафедре теоретических основ радиотехники.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор, Рыжов Владимир Петрович

(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Литюк Виктор Игнатьевич, (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

кандидат технических наук, доцент, Чернышев Валерий Михайлович, (Морская государственная академия им. адмирала Ф.Ф. Ушакова, г. Новороссийск)

Ведущая организация: Федеральное государственное пред-

приятие Таганрогский научно-исследовательский институт связи (ФГУП «ТНИИС» г. Таганрог)

Защита состоится «21 » октября 2010 г. в 14.20 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Южном федеральном университете по адресу: Ростовская обл., г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, корп. Д, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной библиотеке Южного федерального университета по адресу г.. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан «_»

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

2010 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации

Обилие разнообразных радиопередающих средств привело к тому, что существующие частотные диапазоны загружены практически полностью и расширение их невозможно по техническим или правовым причинам. Тем не менее, беспроводные технологии находят все большее распространение в сфере вычислительных сетей и коммуникаций. Это обусловлено как повышением требований различных потребителей к удобству использования имеющегося у них оборудования, так и новыми разработками в данной области.

Кроме того, при широком использовании беспроводных технологий передачи информации очень остро встаёт вопрос загруженности частотных диапазонов, выделенных для тех или иных протоколов передачи данных. Однако количество информации и скорость, с которой информация должна передаваться на расстояние растет постоянно. Поэтому представляет интерес повышения пропускной способности линии связи, без существенного расширения занимаемой полосы частот. Одним из способов решения этой задачи является использование цифровых многоканальных систем связи с кодовым разделением сигналов.

В настоящее время на базе цифровых систем разрабатываются и уже находят широкое применение сотовые системы связи третьего поколения, использующие широкополосные сигналы с кодовым разделением каналов. При кодовом разделении имеют место взаимные помехи, которые являются следствием одновременной работы абонентов в общей полосе частот. Однако при этом можно так выбрать параметры сигналов, что уровень взаимных помех будет сколь угодно малым, т. е. обеспечить заданную помехоустойчивость.

Однако во всех рассмотренных в диссертации источниках описания систем связи с кодовым разделением каналов и использованием функций Уолша приводятся для когерентного приема, при наличии устойчивой синхронизации. Особенности и характеристики асинхронных многопользовательских систем передачи информации с ортогональным кодированием функциями Уолша, а также влияние на характеристики таких систем каналов связи с множественными переотражениями радиосигнала, характерными для распространения радиоволн в условиях плотной городской застройки, в этих источниках не рассматриваются. Данная диссертационная работа призвана восполнить этот пробел. Цели и задачи работы

Целью диссертационной работы является повышение эффективности многопользовательских систем связи с ортогональным разделением сигналов.

Задачи диссертационной работы: . Исследовать особенности применения функций Уолша в многопользовательских системах связи с ортогональным разделением каналов. . Проанализировать взаимнокорреляционные свойства системы функций Уолша с целью оптимального подбора кодирующих функций.

3. Выполнить анализ устойчивости согласованных фильтров для функций Уолша к взаимным отклонениям параметров фильтров и сигналов с целью определения допусков параметров фильтров.

4. Разработать модель многопользовательской системы связи на базе функций Уолша с помощью программно-аппаратного комплекса National Instruments (в среде программирования LabVIEW).

5. Провести, с использованием модели, экспериментальные исследования помехоустойчивости и пропускной способности многопользовательской системы связи.

Методы исследования

Использовались основные положения статистической теории связи и теории сигналов, а также методика статистических испытаний и моделирования на основе программно-аппаратного ' комплекса National Instruments.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В многопользовательских системах связи с ортогональным разделением каналов целесообразно применение функций Уолша при выборе их номеров, на основе взаимокорреляционных свойств этой системы функций.

2. При разработке многопользовательских систем связи с ортогональным разделением сигналов целесообразно использовать модель системы на основе программно-аппаратного комплекса National Instruments.

3. Построение согласованных фильтров на базе функций Уолша необходимо производить с учетом их чувствительности к рассогласованию с сигналами.

4. Помехоустойчивость систем с ортогональным разделением каналов на базе функций Уолша существенно зависит от конкретных помеховых ситуаций и может быть определена с помощью разработанной модели.

5. Результаты экспериментов с использованием разработанной модели. Достоверность результатов

Основные выводы и положения сравнивались с известными результатами и были теоретически обоснованы. Достоверность вычислений обеспечивалась статистической значимостью, а также сравнением, с результатами, полученными другими методами и средствами.

Научная новизна диссертационной работы

1. Выполнен анализ взаимокорреляционных свойств системы функций Уолша, позволяющий наилучшим образом выбрать количество и номера используемых функций Уолша.

2. Произведен анализ влияния нестабильностей параметров в асинхронной системе связи на ее характеристики.

3. В среде программирования LabVIEW разработана новая модель многопользовательской системы передачи информации с ортогональным разделением на базе функций Уолша.

4. На основе разработанной модели проведены экспериментальные исследования, позволившие уточнить характеристики многопользовательской системы передачи информации на базе функций Уолша.

Практическая значимость работы

1. Повышение помехоустойчивости работы систем связи с ортогональным разделением сигналов за счет рационального выбора номеров кодирующих функций; в частности, использование рекомендаций по выбору пар малокоррелированных функций Уолша позволяет при вероятности ошибки 10"4 снизить пороговый сигнал на 3-4 дБ.

2. Улучшение эксплуатационных характеристик при правильном определении допусков на параметры системы,

3. Разработанная модель многопользовательской системы связи может быть использована для оптимизации режимов работы систем связи и выбора оптимальных параметров.

Внедрение результатов работы

Модели, разработанные в среде ЬаЬУ1Е\У, используются в учебном процессе кафедры ТОР ТТИЮФУ для студентов радиотехнических спе-

: циальностей, изучающих курсы, связанные со статистическими методами («Прикладные математические методы в статистической радиотехнике», «Сигналы, помехи и методы обработки сигналов»), в учебном процессе на кафедре ВВС и РЭБ ФВО ЮФУ, а также в разработках ООО «СПЕЦ-СТРОЙСВЯЗЬ», г. Таганрог.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Международная конференция «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» 2007, г. Таганрог.

2. Международная конференция «Проектирование новой реальности». 2007, г. Таганрог

3. Международная конференция «Информация, сигналы, системы». 2008, г. Таганрог

4. Международная научная конференция «Системы и модели в информационном мире». 2009, выпуск 4. г. Таганрог.

5. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ, 2007-2010.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 104 наименований, приложений. Содержание диссертационной работы изложено на 154 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту, сформулированы новые научные результаты и их практическая ценность.

В первой главе выполнен аналитический обзор литературы по систе-

мам передачи информации. Рассмотрены структуры многоканальных систем передачи информации на основе различных способов разделения каналов. в том числе существующие системы, использующие ортогональное разделение каналов. Проанализирована помехоустойчивость и пропускная способность существующих систем передачи информации при различных способах разделения каналов.

На основе обзора сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе проведен теоретический анализ рассматриваемых в диссертации систем передачи информации. Рассмотрены теоретические основы пространственно-временного кодирования сигналов. Обоснован выбор применения функций Уолша в качестве ортогонального базиса. Данный выбор был сделан исходя из того, что многоканальные системы передачи данных довольно сложны в аппаратной реализации, поэтому одним из требований, предъявляемых к формирователю ортогональных функций, является простота аппаратной реализации и быстродействие алгоритмов. Функции Уолша и методы их формирования широко рассмотрены как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Данное обстоятельство делает их весьма привлекательными для использования в многоканальной системе передачи информации.

В рамках проводимых исследований, "с целью изучения и построения системы передачи информации с кодовым разделением каналов, был проведен анализ возможности использования в качестве основы системы связи сигналов в виде функций Уолша. При использовании подобных сигналов на приемном конце линии связи необходимо надежно разделить принимаемые сигналы по каналам. Если используются несколько сигналов, представляющих различные функции Уолша передаваемые в одной полосе частот, то встает вопрос о разделимости их с помощью согласованных фильтров.

Вопросы применения согласованных фильтров, вопросы уменьшения отношения сигнал/шум, вследствие изменения формы и длительности видеосигнала или огибающей радиосигнала, изменения амплитудных и фазовых характеристик сигнала, достаточно хорошо рассмотрены в литературе. Рассмотрены как случайные, так и регулярные,изменения и сделан вывод о слабой критичности структуры оптимального фильтра к небольшим как случайным, так и регулярным изменениям амплитуды входного сигнала и его длительности, а также к достаточно малым случайным изменениям его фазы (для простых сигналов). Однако уменьшение отношения сигнал/шум и изменение длительности выходного импульса фильтра при изменении длительности сигнала на входе для сигналов в виде функций Уолша рассмотрены не достаточно полно.

Проведены исследования изменения выходного отклика согласованного фильтра при временных рассогласованиях сигнала и фильтра, которые могут иметь место в асинхронных системах передачи информации и при сбоях синхронизации в синхронных системах.

Результаты исследования представлены на рис. 1 и 2.

На рис. 1 зависимость максимального пика сигнала на выходе согласо-

ванного фильтра при изменении длительности входного сигнала, на рис. 2 изменение ширины пика сигнала, для разных функциий Уолша, для функций более высокого порядка, т.е. имеющих сигнал более сложной формы, зависимости выражены более ярко.

ЛИ

0.00 0ЛЮ1 0.1*11 У . 8 ■ 10. 8.4 ■ 10. ~ 7-10 "5.4-10. 4.2 • 10 2.« • 10~ 1.4-10

Рис. 2. Изменение ширины пика выходного сигнала фильтра

Рис. I. Зависимость максимального пика сигнала на выходе согласованного фильтра при изменении длительности входного сигнала

В третьей главе рассмотрены вопросы моделирования функций Уолша и модельного исследования их свойств с использованием-среды программирования ЬаЪУ1Е\У. На вход согласованного фильтра, настроенного на прием сигнала в виде одной функции Уолша подавались сигналы, в виде другой .из функций Уолша. На выходе фильтра выделялась взаимокорреляционная функция.

Передаточная функция оптимального фильтра, обеспечивающего максимальное отношение сигнал/шум, имеет вид:

К(ш)= А5'(ш)е'""\ (1)

где Б*(1со) - спектр сигнала (в данном случае функции Уолша), например для 4-й функции Уолша он имеет вид:

[ге-'"^) - е-^СП) _ 2еМ*г) + геМ^г) - 2еМт) + х];

коэффициент А вводится для того, чтобы уравнять энергии входного и выходного сигналов и рассчитывается следующим образом:

T1

fTl

f'fT1 1 2

W(t,k)-W(t + т,к) dt dt

V0 J

А(к) :=

л|"-Т1 , (2)

где к - номер функции Уолша;

Т1 - отрезок определения функции Уолша; W(t,k) - выражение, описывающее функцию Уолша, а именно: n iff \\s w(k,n-r+l ,n)®w(k,n-r,tf

W(t.k) := Yl (^"^Y^'TtJJJ

На рисунке 3 представлена блок-схема модели, на рисунках 4-6 результаты моделирования.

-Ш

ЕЛ г* -{2>. 5}

.........;

(р* В ТГ. щ йН

... Г ' а- ■*-[ ё ..... : _

Рис. 3. Блок-схема модели для исследования взаимокорреляционных свойств функций Уолша

Рис. 4. Автокорреляционная функция 12-й функции Уолша

Рис. 5. Взаимокорреляционная функ- Рис- 6- Взаимокорреляционная ция 11-й и 12-й функций Уолша функция 8-й и 12-й функций Уолша Проведенное моделирование позволяет сделать вывод о разделимости с помощью согласованного фильтра определенных пар сигналов. В работе приведены результаты моделирования. Значения пика сигнала на выходе согласованного фильтра менее 0,25 позволяют надежно выделить значимый сигнал на фоне другого сигнала, в данном случае мешающего. Анализ полученных данных, позволяет сделать вывод, что при увеличении числа используемых функций Уолша увеличивается и число малокоррелированных пар функций. Это расширяет число возможных пользователей, но требует более широкой полосы частот.

Важным моментом является выбор функций Уолша, которыми осуществляется кодирование. Необходимо учитывать взаимокорреляционные помехи, возникающие при разделении сигналов на приёме. В результате проведенных исследований показано, что для системы из 8 функций Уолша удовлетворительно разделяются 50 % пар функций, для системы из 32 функций Уолша процент удовлетворительно разделяемых пар функций составляет 82 %, а для системы из 64 функций процент удовлетворительно разделяемых пар функций составляет уже более 90 % пар функций.

Передняя панель модели выбора функций Уолша по взаимнокорреля-ционным свойствам показана на рис. 6. Слева показаны (сверху вниз):

строка выбора номеров исследуемых функций Уолша; сформированный массив автокорреляционных функций; корреляционная функция между двумя каналами при условии равенства частот; автокорреляционные функции по двум каналам; соответствующие функции Уолша. Справа от-

Рис. 6. Модель для исследования взаимокорреляционных свойств функций

Уолша

Для исследования спектральных свойств функций Уолша в среде ЬаЬ-У1Е\У была разработана модель, позволяющая в графическом виде представить спектр функции Уолша и вычислить полосу частот, в которой сосредоточена заданная мощность сигнала.

Результаты исследования спектров для первых 1024 функций Уолша представлены на рис. 7. Из представленного графика видно, что в общем случае ширина спектра функции Уолша, в котором сосредоточено 90% мощности сигнала, растет практически линейно с увеличением номера (сплошная линия), но не равномерно, а ступенчато (ломаная линия). Это позволяет сделать вывод, что для различных каналов связи с ограниченной полосой пропускания можно выбрать такие функции, которые при передаче по такому каналу будут переданы практически без искажений. Например, для аналогового телефонного канала ТЧ, с полосой 0,3-3,4 кГц, возможно применение функций Уолша с номерами от 59 до 163.

При эксплуатации многоканальных систем передачи возможны сбои в работе системы синхронизации, приводящие к фазовым искажениям принятого сигнала. Было проведено исследование, в среде ЬаЬУ1Е\¥, фазовых искажений функций Уолша и соответственно отклика согласованного фильтра при приеме сигнала с фазой отличной от 0. При этом необходимо учесть следующий факт, при фазовом сдвиге исходного сигнала пик отклика согласованного фильтра тоже смешается на некоторую величину. При условии идеальной синхронизации выход согласованного фильтра будет меньше пикового, поэтому при разработке систем связи с ортогональным разделением каналов с использованием функций Уолша, необходимо систему синхронизации проектировать с учетом этих сдвигов.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что с увеличе-

нием порядка функции Уолша спад пика выходного сигнала согласованного фильтра происходит более резко и при фазовом сдвиге ± 30°-45° выходной сигнал фильтра приближается к 0. Обобщенные результаты представлены на рис. 8.

О 64 128 192 256 320 384 448 512 576 640 704 768 832 896 960 1024

Номер функции Уолша

Рис. 7. Результаты исследования полосы в которой сосредоточено 90 % мощности сигнала, для 1024 функций Уолша.'

и *-.** /Хл^

Сдвиг фазы (в град.)

Рис. 8. Обобщенные результаты исследования изменения амплитуды пика на выходе согласованного фильтра при приеме сигналов с фазовым сдвигом.

В четвертой главе было осуществлено моделирование многопользовательской системы, в которой одновременно передаётся несколько сигналов, а приёмник, для которого находятся характеристики обнаружения, настроен на один из них.

Передатчик представляет собой несколько генераторов сигналов в виде функций Уолша, суммирующихся перед каналом связи. В канале связи к полученному сигналу добавляется помеха с регулируемыми параметрами. Приёмная часть состоит из согласованного с одной из функций Уолша фильтра и решающего устройства, пороговый уровень для которого задаётся в соответствии с выбранным критерием обнаружения. Так же исследовался канал связи с множественными переотражениями сигнала, характерными для многолучевого распространения радиоволн в условиях плотной городской застройки.

Для этого в модель канала связи были введены линии задержки, и на вход приемного устройства поступала сумма из полезного сигнала и его копий, задержанных относительно основного сигнала на некоторые промежутки времени.

В качестве модели канала связи использовался регулируемый полосовой фильтр, а так же источник помех. Источником данных служил сформированный массив данных, элементы которого представляли собой +1 и -1. На рисунке 9 изображена структурная схема эксперимента.

Персональный компьютер_

Формирователь функций Уолша

■---и

Панель управления! — виртуальным ; прибором '

Решаю Счет щее чик устрой сгво

Согласов,

ЭННЫЙ р

фильтр j

Плата Elvis "

¡Цифро-аналоговый* ■i преобразователь ¡-; (ЦАП) !

Регулируемый полосовой фильтр

Аналого-цифровой | преобразователь !_ (АЦП) >

Генератор синхроимпульсов

Рис. 9. Структурная схема эксперимента Передача одного информационного символа происходила следующим образом: информационный символ попадает на вход кодирующего устройства, которое в зависимости от значения информационного символа посылает сигнал формирователю функций.Уолша на генерирование одного периода функции Уолша, соответствующей данному символу.

Затем к данному сигналу добавлялся цифровой белый шум. Смесь сигнала с шумом через виртуальный прибор, осуществляющий связь среды моделирования с аппаратным модулем N1 Elvis, попадала на вход ЦАП аппаратного модуля Elvis. С выхода ЦАП аналоговый сигнал в виде суммы функции Уолша и помехи подавался на вход полосового фильтра, с выхода которого сигнал поступал на вход АЦП аппаратного модуля Elvis. После оцифровки сигнала в АЦП, полученные отсчеты обрабатывались двумя согласованными фильтрами, смоделированными в среде LabVIEW. Затем показания фильтров вычитались, и при помощи решающего устрой-

ства, с нулевым порогом, принималось решение о том, какая функция Уолша была принята. Сигнал с решающего устройства попадал на декодер, после чего в массив принятых данных записывалось соответствующее значение информационного символа. Затем после передачи определенного объема данных исходный массив данных и принятый массив сравнивались, и определялось количество неправильно принятых информационных символов, а после вычислялась вероятность ошибки. Когерентность приема обеспечивалась при помощи внутреннего синхрогенератора аппаратного модуля Elvis, который синхронизировал работу АЦП и ЦАП. Структурная схема программно-аппаратного комплекса показана на рис.10. На рис. 11 показана передняя панель комплекса

Уст-зо I

фз^ммаоавна» j—

«СЙЙЯКЫ* h

смм аолоа j

1 даиымх

Haiwatrejs? | (дасг^й;

ДЙНМЫК

(ПСЖХДОЗЙ

фийьчр)

Дсчюдйру-кдш® yix*ac Решающа ytv-ao Согласован* ные

фИДЬф)*?

W

_ _ Модуль ;

Рис. 10 Структурная схема программно-аппаратного комплекса для нахождения характеристик обнаружения

шт. ш

Щ " ■■ j СМ

5йМШ<г

•Ш ¡йоге "iffi:: j

! 1 Передняя панель программно-аппаратного комплекса для нахождения характеристик обнаружения В многопользовательской системе возможно два режима работы и, соответственно, две модели сигналов.

Первый режим - режим с синхронизацией, при этом возможно использование модели полностью известного сигнала. В этом случае можно ис-

Рис.

1 с2 ^ 2

где Ф(2) = -= е~гх с1х - интеграл вероятности

пользовать простые выражения для вероятности ошибки, но в энергетическом отношении сигнал/помеха учесть возможную помеху:

р0ш = 1-ф[>/оа-^)] (4)

•Дп

ц = ~7 £ ~т-, - энергетическое отношение сигнал/помеха с

д^г*"'»1'1

учетом взаимных помех, (5)

Е - энергия сигнала,

Б'д - спектральная плотность мощности шума,

к$ ~ ^ ^ 5а (£)з2(£) & - коэффициент корреляции двух выбранных сигналов.

Второй режим - без синхронизации (асинхронный режим), в этом случае целесообразно использовать модель сигнала со случайной начальной фазой и амплитудой. Если для распределения амплитуды использовать закон Релея:

/04) = (6)

то отношение правдоподобия выражается в виде

АМ - С С ■ «р Й-з (7 - о) ФА = ^ ехр ЦЩ. (7)

При этом вероятности ошибок первого и второго рода связаны простым соотношением [94]

Ро = (8)

За счет флуктуаций амплитуды пороговое соотношение сигнал/помеха увеличивается более чем на порядок по сравнению с сигналом с полностью известными параметрами. Но это как раз соответствует реальным ситуациям приема. Значение энергии отношения сигнал/помеха в (8) так же определяется с учетом взаимных помех по (5), но при этом в интеграле для энергии используется среднее значение энергии:

01 = |(<А2>с2№ (9)

На рис. 12 и 13 изображен график зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум, полученной экспериментальным путем (сплошной линией показана теоретическая зависимость).

Как видно из графиков, показанного на рис. 12 и 13, экспериментальные кривые лежат немного выше теоретической (за исключением некоторых точек), данный факт обусловлен потерей части энергии сигнала при прохождении через фильтр.

Панель улра&пения

индикации

Уст-ао формирования исходных инф. символов

Генератор функций

Кодирующее

ТёнёраТор"

Накопитель

(массив) переданных данных

Задержка

Уст-so- сравнения и вычисления вероятхости ошибки

Накопитель (массив) принятых

Задержка 4

СогласоЕ

Полосовой филДО

Декодирующее уст-вс

Решающее

уст-ео

фильтры

Модель ка>

Рис. 12. Линией □□ показана экспериментальная зависимость при использовании функций №<7/(3,/) И №£7/(8,/); линией о О то же при использовании функций №«/(5,0 и №«/(7,/)

Рис. 13. Линией оо показана экспериментальная зависимость при использовании функций \vali_4,0 и №¿7/(5,0; линией о о то же при использовании функций №я/(1,0 и №£7/(2,0

Структурная схема программно-аппаратного комплекса для моделирования системы связи при её эксплуатации в условиях многократного отражения радиосигнала при распространения радиоволн, представлена на рис. 14.

Рис. 14 Структурная схема программно-аппаратного комплекса для моде-

лирования системы связи с многократными переотражениями

представлены на рис. 15 и 16.

Рис. 15 Зависимость вероятности правильного приема от величины задержек при » 1

Таким образом, анализ резуль

Рис. 16 Зависимость вероятности правильного приема от величины задержек при Q = 4 тов моделирования показывает суще-

ственную зависимость помехоустойчивости от величины задержек в канале связи при многолучевом распространении сигнала. При этом, чем меньше отношение сигнал-шум, тем более ярко выражена эта зависимость.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для построения многопользовательской системы связи с ортогональным разделением целесообразно использовать функции Уолша более высокого порядка. При этом число малокоррелируемых функций растёт быстрее, чем общее число функций. В результате проведенных исследований показано, что для системы из 8 функций Уолша удовлетворительно разделяются 50 % пар функций, для системы из 32 функций Уолша процент удовлетворительно разделяемых пар функций составляет 82 %, а для системы из 64 функций процент удовлетворительно разделяемых пар функций составляет уже более 90 % пар функций.

2. Проведен анализ спектральных свойств функций Уолша. Определены полосы частот, в которых находятся 90 % мощности сигнала для первых 1024 функций Уолша. Анализ спектров функций Уолша показал, что для каналов связи с ограниченной полосой пропускания возможен подбор таких функций Уолша, которые могут быть переданы по такому каналу практически без потерь.

3. Анализ рассогласования параметров сигналов и согласованных с ними фильтров показал, что при изменении длительности входного сигнала, даже в небольших пределах (± 20%), выходной сигнал изменяется для 4-й функции Уолша на 6 дБ, и для 6-й функции Уолша на 10 дБ. Т.е. чем выше порядок функции, чем сложнее входной сигнал, тем больше искажается выходной эффект фильтра. То же можно сказать и об изменении длительности максимума выходного сигнала согласованного фильтра.

4. Разработанная в среде ЬаЬУ1Е\У модель позволяет производить различные исследования системы передачи информации с использованием ортогональных функций. В модели предусмотрены выбор номера и количества функций Уолша, применяемых для кодирования на передаче, выбор амплитуды и типа шумовых помех в канале связи, внесение временной расстройки параметров согласованных фильтров, моделирование канала с многочисленными переотражениями сигнала в канале связи, кроме того открытая структура модели позволяет строить на её основе другие устройства и применять для различных исследований.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ: Статьи в журналах из «Перечня» ВАК РФ

1. Дулин М.И. Исследование взаимокорреляционных свойств системы функций Уолша на основе модели ЬаЬУ1Е\У // Известия ЮФУ. Тематический выпуск «Интеллектуальные САПР» - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010.-№7(108)-С. 163-167.

2. Дулин М.И. Особенности оптимальной обработки сигналов в виде функций Уолша // Депонировано ВИНИТИ 22.06.2010 г. № 388-В2010. 20 стр.

Статьи в других изданиях и тезисы докладов на конференциях

3. Дулин М.И. Исследование временного рассогласования согласованного фильтра и сигнала в виде функции Уолша // Материалы международной конференции «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем», 2007. - Вып. 4. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. С. 18-23.

4. Дулин М.И. Исследование взаимокорреляционных функций сигналов в виде функций Уолша // Материалы международной конференций «Проектирование новой реальности». 2007. -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. С. 19-26.

5. Дулин М.И., Сергеев Н.Е., и др. Показатели эффективности вооружения и военной техники связи (учебное пособие) // Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007.-100 с.

6. Дулин М.И. Общие сведения о системах радиосвязи (методические рекомендации) // Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. - 80 с.

7. Дулин М.И. Тепин Е.С. Оценка параметров систем связи с ограниченной полосой // Материалы международной конференции «Информация, сигналы, системы». 2008. - С. 20-26. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008.

8. Дулин М.И. Моделирование многоканальной системы связи с ортогональным разделением каналов с использованием функций Уолша// Материалы научных работ, «Неделя науки» 2009. - С. 26-29. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009.

9. Дулин М.И. Андриенко В.А. Исследование цифровой системы связи с ортогональным разделением сигналов // Материалы международной научной конференции. «Системы и модели в информационном мире», 2009. - Вып. 4. - С. 7-13. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат следующие результаты:

В [5] написаны разделы 1.1-1.4.

В [7] предложены варианты передачи сигнала с полосой AFC по каналу связи с меньшей полосой частот Д/\;, выполнен расчет зависимости вероятности ошибки от соотношения сигнал/шум.

В [9] разработана структура программной модели в среде LabVIEW 8.2, на основе которой проведены исследования и получены результаты, описанные в статье.

ЛР 02205665 от 23.06.1997 г. Подписано к печати 13 сентября. 2010 г.

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная.

Бумага офсетная. Усл.п. л. -_

Заказ № 262 Тираж 100 экз.

Издательство Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге Таганрог, 28, ГСП 17А, Некрасовский, 44 Типография Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге Таганрог, 28, ГСП 17А, Энгельса, 1

Введение.

1. Анализ характеристик современных многопользовательских систем передачи информации.

1.1. Структуры многопользовательских систем передачи информации.

1.2. Анализ алгоритмов работы и методов оценки каналов существующих систем передачи информации.

1.2.1. Метод наименьших квадратов.

1.2.2. Метод максимального правдоподобия.

1.2.3. Метод минимального среднеквадратичного отклонения.

1.2.4. Методика получения улучшенного алгоритма наименьших квадратов.

1.3. Помехоустойчивость и пропускная способность цифровых систем передачи информации.

1.4. Выводы по 1-й главе.

2. Анализ основных характеристик многопользовательских систем связи с ортогональным разделением каналов.

2.1. Многопользовательские системы связи с ортогональным разделением каналов.

2.2. Классификация и анализ методов многопользовательского кодирования сигналов.

2.3. Выбор и обоснование применения функций Уолша в качестве ортогонального базиса.

2.4. Оценка помехоустойчивости и пропускной способности систем связи

2.5. Построение и исследование согласованных фильтров на базе функций Уолша.

2.6. Выводы по 2-й главе.

3. Разработка модели в среде LabView для исследования кодирующих фикций и их оптимальной фильтрации.

3.1. Исследование свойств функций Уолша на основе модели.

3.2. Исследование моделей многопользовательских систем связи с использованием функций Уолша.

3.1.1. Корреляционные свойства функций Уолша.

3.1.2. Исследование спектров функций Уолша.

3.1.3. Исследование согласованных фильтров на базе функций Уолша

3.3. Выводы по 3-й главе.

4. Моделирование и исследование свойств системы связи на основе ортогонального разделения сигналов с использованием функций Уолша

4.1. Описание модели системы связи.

4.2. Исследование помехоустойчивости в системе связи.

4.3. Выводы по 4-й главе.

Актуальность темы. Обилие разнообразных радиопередающих средств привело к тому, что существующие частотные диапазоны загружены практически полностью и расширение их невозможно по техническим или правовым причинам. Тем не менее беспроводные технологии находят все большее распространение в сфере вычислительных сетей и коммуникаций. Это обусловлено как повышением требований различных потребителей к удобству использования имеющегося у них оборудования, так и новыми разработками в данной области. Последние ведутся в целом ряде направлений: улучшаются антенные системы, способы модуляции, радиотехнические компоненты, механизмы управления доступом к среде, безопасность.

Кроме того, при широком использовании беспроводных технологий передачи информации очень остро встаёт вопрос загруженности частотных диапазонов, выделенных для тех или иных протоколов передачи данных. Обилие разнообразных средств связи привело к тому, что существующие частотные диапазоны загружены практически полностью и расширение их невозможно по техническим или правовым причинам. Однако количество информации и скорость, с которой информация должна передаваться на расстояние растет постоянно. Кроме того, при использовании средств радиосвязи в условиях плотной городской застройки на вход приемного устройства кроме прямого сигнала от передатчика, поступают сигналы, отраженные от различных препятствий, время прохождения которых от передатчика к приемнику изменяется по случайному закону. Поэтому представляет интерес повышения пропускной способности линии связи, без существенного расширения занимаемой полосы частот. Одним из способов решения этой задачи является использование цифровых многоканальных систем связи с кодовым разделением сигналов.

Первые аналоговые сети сотовой связи были введены в эксплуатацию в начале восьмидесятых годов двадцатого века. Сети первого поколения сотовой связи в полной мере выполнили свою «первопроходческую» роль. На их основе были отработаны принципы построения сотовых сетей,, выявлены проблемы, организованы операторские компании, разработаны принципы и нормативно-правовая база взаимоотношений операторов, обучены специалисты, и, главное, миллионы людей стали абонентами сотовых сетей и уже не представляют себе жизнь без мобильной связи.

В 90-х годах были разработаны и получили широкое применение сотовые системы второго поколения, основанные на цифровых методах формирования и обработки сигналов при частотном и временном принципах разделения каналов абонентов сети.

В настоящее время на базе цифровых систем разрабатываются и уже находят широкое применение сотовые системы связи третьего поколения, использующие широкополосные сигналы с кодовым разделением каналов. Кодовое разделение основано на том, что каждому абоненту выделяется свой абонентский алфавит сигналов (или кодовых последовательностей), с помощью которого он передает информацию. Разделение возможно потому, что сигналы различных абонентов существенно отличаются по форме. При таком способе разделения передаваемая информация снабжается адресом, роль которого выполняют выделенные сигналы. Наличие адресов позволяет реализовать асинхронный режим совместной работы многих абонентов.

В настоящее время на базе цифровых систем разрабатываются и уже находят широкое применение сотовые системы связи третьего поколения, использующие широкополосные сигналы с кодовым разделением каналов. Началом исследований по кодовому уплотнению и разделению сигналов можно считать работу Д.В. Агеева, опубликованную в 1935 году [19]. При кодовом разделении имеют место взаимные помехи, которые являются следствием одновременной работы абонентов в общей полосе частот. Однако при кодовом разделением каналов можно так выбрать параметры сигналов, что уровень взаимных помех будет сколь угодно малым, т. е. обеспечить заданную помехоустойчивость.

Однако во всех рассмотренных в диссертации источниках описания систем связи с кодовым разделением каналов и использованием функций Уолша приводятся для когерентного приема, при наличии устойчивой синхронизации. Особенности и характеристики асинхронных многопользовательских систем передачи информации с ортогональным кодированием функциями Уолша, а также влияние на характеристики таких систем каналов связи с множественными переотражениями радиосигнала, характерными для распространения радиоволн в условиях плотной городской застройки, в этих источниках не рассматриваются. Данная диссертационная работа призвана восполнить этот пробел.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности многопользовательских систем связи с ортогональным разделением сигналов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование и оценка основных характеристик многопользовательских систем связи.

2. Обоснование применения функций Уолша в многопользовательских системах связи с ортогональным разделением каналов.

3. Способы построения согласованных фильтров на базе функций Уолша и особенности их характеристик.

4. При построении систем связи с ортогональным разделением каналов необходим учет взаимнокорреляционных свойств используемой системы ортогональных функций.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Выполнен анализ взаимокорреляционных свойств системы функций Уолша, позволяющий наилучшим образом выбрать количество и номера используемых функций Уолша.

2. Разработаны новые алгоритмы построения согласованных фильтров для многопользовательских систем связи на базе функций Уолша.

3. Произведен анализ влияния нестабильностей параметров в системе связи на ее характеристики.

4. Построена новая модель многопользовательской системы с ортогональным разделением на базе функций Уолша в среде Lab VIEW.

5. На основе модели в среде Lab VIEW проведена комплексная оценка характеристик многопользовательской системы связи на базе функций Уолша.

Практическая ценность работы

1. Повышение помехоустойчивости работы систем связи с ортогональным разделением сигналов за счет рационального выбора номеров кодирующих функций

2. Улучшение эксплуатационных характеристик при правильном определении допусков на параметры системы.

3. Разработанная модель многопользовательской системы связи может быть использована для оптимизации режимов работы систем связи и выбора оптимальных параметров.

Реализация результатов работы

Модели, разработанные в среде ЬаЬУ1Е\¥, используются в учебном процессе кафедры ТОР ТТИ ЮФУ для студентов радиотехнических специальностей, изучающих курсы, связанные со статистическими методами («Прикладные математические методы в статистической радиотехнике», «Сигналы, помехи и методы обработки сигналов»), также в разработках ООО «СПЕЦСТРОЙСВЯЗЬ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Для построения многопользовательской системы связи с ортогональным разделением целесообразно использовать функции Уолша относительно более высокого порядка, причем необходимо подобрать такие функции, которые бы попарно имели взаимную корреляцию, не превышающую допустимого уровня. При этом число малокоррелируемых функций растёт быстрее, чем общее число функций. В результате проведенных исследований показано, что для системы из 8 функций Уолша удовлетворительно разделяются 50 % пар функций, для системы из 32 функций Уолша процент удовлетворительно разделяемых пар функций составляет 82 %, а для- системы, из 64 функций процент удовлетворительно разделяемых пар функций составляет уже более 90 % пар функций.

2. Проведенные исследования показали, что согласованные фильтры весьма чувствительны к временным рассогласованиям принимаемого сигнала, что особенно существенно для асинхронных систем передачи информации. Анализ рассогласования параметров сигналов и согласованных с ними фильтров показал, что при изменении длительности входного сигнала, даже в небольших пределах (± 20%), выходной сигнал изменяется для 4-й функции Уолша на 6 дБ, и для 6-й функции Уолша на 10 дБ. Так же при этом происходит изменение длительности максимального пика выходного сигнала согласованного фильтра.

3. Проведенный анализ спектральных свойств .функций Уолша показал, что для передачи, функций Уолша по каналам связи с ограниченной полосой частот достаточно подобрать такие номера функций, основные составляющие спектра которых не выходят за пределы заданной полосы частот. Определены полосы частот, в которых находятся 90 % мощности сигнала для первых 1024 функций Уолша.

4. Разработанная в среде Lab VIEW модель позволяет производить различные исследования системы передачи информации с использованием ортогональных функций. В модели предусмотрены выбор номера и количества функций Уолша, применяемых для кодирования на передаче, выбор уровня и типа шумовых помех в канале связи, внесение временной расстройки параметров согласованных фильтров, моделирование канала с многочисленными переотражениями сигнала в канале связи. Кроме того, открытая структура модели позволяет строить на её основе другие устройства и проводить исследования другого рода.

5. Проведенные на модели исследования помехоустойчивости многопользовательских систем передачи информации с ортогональным разделением сигналов на основе функций Уолша показали ее работоспособность, поскольку полученные при моделировании результаты соответствуют теоретическим и сведениям, приведенным в литературе.

1. Alamouti S.I. Space-time block coding: A simple transmitter diver-sity technique for wireless communications. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Oct. 1998, vol. 16, p.1451-1458.

2. Andersen J.B. // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2000. - V. 42, № 2. P. 12-16. 3. Yornefeld U., Walke C., Walke B. // IEEE Communications Magazine. - 1999. - V. 37, № 11. P. 52-57.

3. Benjamin K., Sousa E.A Bandwidth-Efficient Spread Space-Spectrum Multiple Access Scheme for the Forward link.- University of Toronto.

4. Biljana Badic, Markus Rupp, Hans Weinrichter. Adaptive Channel-Matched Extended Alamouti Space-Time Code Exploiting PartialFeedback., ETRI Journal, Volume 26, Number 5, 2004 (http://etrij.etri.re.kr).

5. Clarke R.H. // Bell System Technical Journal. ^July-August 1968. P. 957-1000.

6. Edfors O., Sandell M., van de Beek J.J., Wilson S.K., Borjesson P.O. // Proc. VTC 95. 1995. Vol. 2. P. 715-719.

7. Edfors O., Sandell M*., van de Beek J.J., Wilson S.K., Borjesson P.O. // IEEE Trans. Commun. 1998. Vol. 46. P. 931-939.

8. Foschini G J. Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multi-Element Antennas. Bell Labs Technical Journal, Autumn 1996. Pp. 41-59.

9. Golay, M.J.E. Complementary series. IRE Transactions, 1961, IT-7, p.82-87/

10. Grafov B.P., Grafova I.B. Theory of the wavelet analysis for electrochemical noise' by use of Laguerre functions // Electrochemistry communications. 2 (2000). P. 386-389.

11. History of MIMO in radio communications. -http://en.wikipedia.org/wiki/MIMO.

12. Kay S.M. Fundamentals of statistical signals processing: estimation theory. Prentice Hall, 1993.

13. Edfors O., Sandell M., van de Beek J.J., Wilson S.K., Borjesson P.O. // Proc. VTC 95. 1995. Vol. 2. P. 715-719. 5. Edfors O., Sandell M., van de Beek J.J., Wilson S.K., Borjesson P.O. // IEEE Trans. Commun. 1998. Vol. 46. P. 931939.

14. Liberti J.C., Rappaport T.S. // Proc. IEEE Vehicular Technology Conf. 1996. P. 844-848.

15. Liberti J.C., Rappaport T.S. Smart Antennas for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications. Prentice Hall, Inc., 1999. 440 p.

16. Morelli M., Mengali U. // IEEE Trans. On Signal Processing. 2001. Vol. 49. № 12.17