автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Методы повышения эффективности последовательных систем передачи дискретных сообщений в пространственно-временных радиоканалах

Санкт-Петербургский Государственный Университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича

РГб од

2 5 СЕН 1995 П15авах РУКОПИСИ

КАРТАШЕВСКИЙ Вячеслав Григорьевич

УДК 621.398.8

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ В ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ РАДИОКАНАЛАХ

Специальность 05.12.02 - Системы и устройства передачи

информации по каналам связи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Поволжском институте информатики, радиотехники и связи (ПИИРС, г.Самара).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ЦИКИН И. А.

доктор технических наук, профессор ЧЕСНОКОВ М.Н.

•л

доктор технических наук, профессор ШИНАКОВ Ю.С.

Ведущее предприятие: НИИ "Дельта" НПК "Красная Заря" (г.Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится "__1995г.

в .^2__час. на заседании специализированного Совета Д 118.01.01 Санкт-Петербургского Государственного Университета телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича по адресу : 191065, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Университета телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича.

Автореферат разослан ||/СУ Л 995г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук, профессор

С.В.ТОМАШЕВЙЧ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Построение высокоскоростных систем передачи дискретных сообщения, использующих стохастические каналы связи, является весьма актуальным ввиду того, что количество передаваемой по каналам связи информации непрерывно увеличивается. Так, все увеличивающийся объем подлежащих передаче данных диктует необходимость использования для этого не только специально выделенных каналов, но и каналов ухудшенного качества (с коммутацией), а также радиоканалов различного вида.

Стохастические каналы связи с характерным для них эффектом рассеяния энергии передаваемого сигнала во времени (ограничение полосы частот, многолучевое распространение), по частоте (замирания, допплеровские смещения) и в пространстве неизбежно усложняют устройство обработки принимаемого сигнального поля , т.к. на выходе канала текущая реализация поля оказывается зависимой от состояния канала в предыдущие моменты времени в разных точках рассматриваемой пространственно-частотной области обработки. Флуктуационные и сосредоточенные помехи (во времени, по частоте и в пространстве) дополнительно усложняют задачи приема дискретных сообщений в стохастических каналах.

Недостаточность априорных сведений о свойствах конкретно используемого пространственно-временного канала и помех, действующих в нем, приводит к необходимости построения адаптивного приемного устройства, в задачу которого входит не только вынесение решения о передаваемой последовательности дискретных элементов, но и оценивание некоторой совокупности параметров пространственно-временного стохастического канала связи, включая помехи, а также слежение за их изменениями. Характерным примером стохастического канала, в котором все перечисленные эффекты проявляются наиболее полно, является радиоканал декаметрового диапазона.

В теории оптимальных методов приема дискретных сообщений основные результаты первоначально были получены для каналов без временного рассеяния (без памяти) при полной априорной определенности относительно их свойств. Основанная В.А.Котельниковым, эта теория была развита в работах Л.С.Гуткина, Л.М.Финка, В.С.Мельникова, Д.Д.Кловского, И.А.Цикина, Л.И.Филиппова, В.И.Коржика, Н.Е.Кириллова, Дж.Воэенкрафта (J.M.WozencrafU,

Д.Миддлтона (D.Middleton), Ф.Велло (P.A.Bello), Т.Кайласа (T.Kailath), Дж.Турина (G.L.Turin) и ряда других ученых.

Когда память канала стела серьезным препятствием помехоустойчивой высокоскоростной передаче дискретных сообщений, усилия многих ученых были направлены в основном в двух направлениях: поиск такой структуры сигналов, при которой память канала существенно не проявляется, и разработка устройств, корректирующих свойства реального канала связи. Однако с точки зрения теории стататистических выводов подобные подходы не являются оптимальными. Теоретические и экспериментальные исследования, например, параллельных (многоканальных) методов передачи дискретных сообщений, а также корректоров, показали, что в стохастических каналах связи с памятью они становятся весьма не эффективными по сравнению с оптимальным последовательным (одноканальным) способом передачи.

Метод последовательной передачи дискретных сообщений по стохастическим каналам с памятью был предложен Д.Д.Кловским в 1958г. В 1960г. им же было предложено в оптимальном поэлементном приемнике использовать обратную связь по решению (ОСР) для компенсации сигналов межсимвольной интерференции (МСИ), неизбежно возникающей при последовательной высокоскоростной передаче дискретных сообщений. Различные аспекты использования ОСР были обсуждены М.Остином (M.Austin), Н.П.Хворостенко, И.А.Цики-ным и С.Б.Макаровым. Можно считать, что к 1964г. в работах Д.Д.Кловского были сформулированы все идеи, приведшие к созданию в конце 60 годов (совместно с Б.И.Николаевым) субоптимального (основанного на использовании ОСР) алгоритма, названного позже алгоритмом "приема в целом на интервале рассеяния с поэлементным принятием решения" (ПЦППР), или алгоритмом Кловского-Николаева.

Следует отметить, что идеи построения оптимального поэлементного приемника в канале с рассеянием обсуждались К.Хелстро-ном (C.W.Helstrom) в монографии 1963г.

Проблемы оптимального приема в каналах с памятью при последовательном способе передачи дискретных сообщений нашли свое отражение в дальнейших работах Д.Д.Кловского, а также в работах А.Вигерби(А.УИегЫ) и Дж.0мура(Л» Оашга), J\&opHH(G.D.Forney),

_К.Абенда (К.Abend) и Б.Фритчмана (B.D.Rritchman), Г.Унгербоека

(G.Ungerboeck), Б.И.Николаева. Предложенный А.Витерби в 1967г. алгоритм декодирования сверточных кодов (алгоритм Витерби - АВ)

!

был приспособлен в 19?0г. Дх.Омура (по данным Г.Форни) для решения задачи демодуляции в канале с памятью. Инея важные принципиальные отличия, АВ и ШЩПР реализуют в канале с белым гаус--совским шумом примерно одинаковую помехоустойчивость, чгго подтверждается анализом, приведенным в данной работе.

Методы преодоления априорной неопределенности и построения адаптивных устройств были развиты работами Б.Р.Левина, Р.Л.Стра-тоновича, Я.З.Цыпкина, В.Г.Репина и Г.П.Тартаковского, В.В.Шах-гильдяна, Ю.Г.Сосулина, Ю.С.Шкнакова и других ученых. В данной работе тернин "адаптивный" понимается в смысле "получающий и использующий оценки" параметров канала связи и помех. Это согласуется с оценочно-корреляционным принципом построения оптимального приемника в задаче различения гипотез, развитого Т.Кайласом, Ю.Г.Сосулиннм и другими, и соответствует подходу Б.Уидроу (B.Widrov) и С.Стирнза (S.Steams), рассматривающих методы получения оценок полезных сигналов и помех в системах с фиксированной структурой при априорной неопределенности относительно их свойств. Проблемы построения моделей сигналов и помех и алгоритмов их оценивания (фильтрации, выделения) при разной степени априорной неопределенности относительно свойств сигналов и помех крайне разнообразны. Применительно к задачам, рассматриваемым в диссертации, эти проблем обсуждались в работах В.И.Тихонова, М.С.Ярлыкова, В.А.Казакова, А.П.Трифонова, В.Н.Фомина, В.Я.Конторовича и др.

Проблемы борьбы с сосредоточенными (по спектру) помехами рассматривались многими авторами ( Л.М.Финк, Д.Д.Кловский, В.И.Коржик, А.А.Сикарев и А.И.Фалько, В.В.Баренчеев, Н.Е.Кириллов, М.Н.Чесноков и др.) в разных аспектах, причем можно ввде-лить ряд подходов к репению этой задачи : фильтровой ("вьфезание" помехи вместе с частью спектра полезного сигнала), компенсационный (оценивание и вычитание из смеси с полезным сигналом и шумом), и алгоритмический (построение решающего правила с учетом действия сосредоточенной помехи).

Импульсные помехи (сосредоточенные во времени ), борьбе с-которыми в системах связи также уделяется большое внимание (Л.М.Финк, В.И.Тихонов, Д.Д.Кловский, А.Ф.Фомин, Ш.М.Чабдаров и А.Т.Трофимов, М.Н.Чесноков, 3.Kypu(Z.Kurz), И.Миллер (I.Miller) , и Ж.Томас (J.Thomas) и др.), подавляются в основном с понозыо нелинейных устройств, либо построением сложно реализуемых решающих правил, либо путем исключения из анализа отсчетов сигнала,

2-2372

пораженных импульсами помехи, что в свою очередь требует надежной идентификации таких отсчетов.

Повышение помехоустойчивости и эффективности последовательного метода передачи, впрочем как и параллельного (многоканального), связано с использованием кодирования. В связи с интенсивным использованием сверточных кодов, наиболее полно соответствующих непрерывному (последовательному) характеру передачи информации по каналу связи, актуальными стали вопросы совмещения операций демодуляции и декодирования (А.Витерби и Дж.Омура, Г.Унгербоек, Дж.Кларк (6.С1агк), Р.Блейхут (1?.В1а1)ии, А.И.Тур-кин, В.И.Коржик, М.Н.Чесноков), а также вопросы адаптивного кодирования-декодирования, предложенного Р.ГаллагеромОг.ваПадег), с помощью которого возможно существенное повышение достоверности передачи, в каналах с пакетированием ошибок.

Совместное развитие идей и методов выше отмеченных направлений для стохастических пространственно-временных каналов было начато работами А.А.Курикши, С.Е.Фальковича, П.А.Бакута, Д.Д.Кловского и В.А.Сойфера, Л.Г.Красного, Ю.С.Шинакова, М.А.Быховского, Е.И.Глушанкова и др. Дальнейшее развитие этого направления с целью повышения эффективности последовательных высокоскоростных систем передачи дискретных сообщений в каналах с памятью и совокупностью аддитивных сосредоточенных по спектру, в пространстве и во времени помех является весьма актуальным и рассматривается в настоящей работе.

Целью работы явилась разработка методов повышения эффективности последовательных систем передачи дискретных сообщений в стохастических пространственно-временных радиоканалах и прак-практическая реализация этих методов для каналов декаметрового, метрового и дециметрового диапазонов.

Поставленная цель обусловила основные задачи исследования:

- разработка математической модели линейного стохастического векторного пространственно-временного канала с памятью и совокупной аддитивной помехой (сосредоточенная по частоте, в пространстве, импульсная, флуктуационная),

- синтез и анализ алгоритмов оптимального различения векторных случайных полей и алгоритмов фильтрации стохастических полей,

- разработка методов борьбы с сосредоточенными по частоте, в —пространстве и импульсными помехамив пространственно-временных каналах с памятью,

- разработка методов повышения эффективности декодирования в

- 7 -

стохастических каналах с памятью,

- разработка алгоритмов измерения (оценивания) параметров стохастического канала связи с памятью для реализации адаптивной обработки сигналов,

- разработка цифровых устройств, реализующих оптимальную (субоптимальную) обработку сигналов по дискретному пространству,

- экспериментальное исследование помехоустойчивости разработанных устройств.

научная новизна.

Разработана математическая модель линейного векторного стохастического пространственно-временного канала связи с памятью, включая совокупность аддитивных помех, в форме уравнений состояния при фиксации пространственной координаты в качестве параметра.

Обоснована целесообразность применения в пространственно-временных каналах с памятью для задачи многоальтернативного различения алгоритма "прием в целом на интервале рассеяния с поэлементным принятием решения" (ПЦППР).

Получены алгоритмы фильтрации случайного поля по критерию минимума среднеквадратической ошибки при совокупном действии аддитивных флуктуационных и сосредоточенных по спектру, в пространстве и импульсных помех.

Получены новые результаты по оценке помехоустойчивости в канале с памятью алгоритма Витерби и алгоритма ПЦППР.

Рассчитана помехоустойчивость оптимального разнесенного приема в стохастическом канале с памятью при действии широкополосных и узкополосных коррелированных помех.

Предложены методы адаптивной фильтрации сосредоточенных по спектру, в пространстве и импульсных помех в каналах с памятью.

Рассчитан энергетический выигрыш от использования непрерывной по пространственной координате обработки наблюдаемого поля в канале с памятью и аддитивными коррелированными и флуктуаци-онными помехами.

Разработаны алгоритмы совместного выполнения операций де-демодуляции и декодирования в каналах с памятью.

Предложен метод адаптивного декодирования сверточпого кода в канале с памятью при совмещении операций демодуляции и декодирования по алгоритму ПЦППР.

Предложен модифицированный алгоритм регуляризации решения

обратной задачи для оценивания импульсной характеристики канала с памятью.

Практическая ценность.

Диссертация выполнена на кафедре "Теоретические основы радиотехники и связи" и в отраслевой лаборатории 0НИЛ-5 Поволжского института информатики, радиотехники и связи в соответствии с темами хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполняемых в течение 1980-1994гг. по решению Директивных органов и по заказу ГНТУ Минсвязи и МПСС, ГУНЮКР концерна "Телеком", в/ч 32152, в/ч 45В07-Э. Наиболее важные для практического применения результаты заключены в следующем:

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение цифрового устройства преобразования сигналов (УПС) для передачи двоичных сообщений по декаметровому каналу со скоростью 1200 и 2400 бит/с в полосе канала ТЧ. УПС выполнено с применением цифрового процессора обработки сигналов (ЦПОС) TMS 320с25 и конструктивно представляет собой плату, устанавливаемую на свободный разъем персонального компьютера типа IBM. Проведены лабораторные и трассовые испытания УПС, показавшие его высокую, помехоустойчивость и высокую конкурентноспособность с УПС других типов. Применение таких УПС позволит эффективно использовать загруженный декаметровый диапазон волн для передачи двоичной информации с высокими качественными показателями.

Разработано цифровое УПС для передачи дискретных сообщений по тропосферному каналу со скоростью 6 Мбит/с в полосе 6 МГц (УПС бМбит/с "Тропа"). Элементной базой УПС являются базовые матричные кристаллы и микросхемы серии К1500. Разработка данного УПС продемонстрировала принципиальную возможность реализации методов оптимальной обработки сигналов на выходе пространственно-временного тропосферного канала при использовании цифровой обработки в реальном масштабе времени.

Разработан цифровой демодулятор для системы сотовой радиосвязи с подвижными объектами в стандарте GSM, предназначенный для обработки сигналов на выходе дециметрового.канала при передаче дискретных сообщений со скоростью 277 кбит/с в полосе 150 кГц. Демодулятор выполнен с применением ЦПОС TMS 320с25. Проведены лабораторные испытания демодулятора в составе комплекса аппаратуры системы сотовой радиосвязи, показавшие высокую помехоустойчивость « эффективность реализованных в демодуляторе "алгоритмов.

Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы демодуляции, оценивания параметров канала связи и фильтрации помех использованы в

- НПО "Красная Зеря" (г.С.-Петербург) при создании перспективных образцов УПС для декаметрового диапазона,

- НПО "Астра" (г.Москва) при разработке систем высокоскоростной передачи дискретных сообщений по тропосферному каналу,

- ОКБ "Янтарь" (г.Самара) при создании системы сотовой систекн связи с полвианыки-ебъвктаки в стандарте GSM.

Использование результатов работы подтверхдено соответствующими документами, прилагаемыми к диссертации.

Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс - подготовлен и читается для дипломников кафедры ТОРС курс лекций по цифровой обработке сигналов, поставлена курсовая работа по методам цифровой обработки сигналов и 5 лабораторных работ, выполняемых на ЭВМ, по курсам Теории электрической связи и Радиотехнических систем.

Диссертант руководит аспирантом ПИИРС, в кандидатской диссертации которого находят дальнейшее развитие полученные в данной работе результаты.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на

- 7 Всесоюзных и Российских научных сессиях, посвященных Дню Радио в 1977, 1980, 1982, 1987, 1993, 1994, 1995гг.

- 3 Всесоюзных конференциях по теории кодирования и передачи информации в 1978г. (Москва-Вильнюс), 1981г. (Москва-Куйбышев), 1988г. (Москва-Одесса),

- 2 Выезднных заседаниях секции теории информации ЦП НТО РЭС им. А.С.Попова в 1979г. (Одесса), 1989г. (Ульяновск),

- Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы развития космической связи", 1983г. (Калуга),

- Международной научно-технической конференции "Статистические методы в теории и преобразовании информационных сигналов", 1992г. (Киев),

- Всесоюзный семинар "Статистический синтез и анализ информационных систем", 1992г. (Черкассы),

- Научной конференции ФАПСИ при Президенте РФ "Актуальные вопросы развития защищенных телекоммуникационных сетей связи", 1995г. (Орел),

- 1-ой Поволжской научно-технической конференции по проблемен

двойного применения (РАН, Секция прикладных проблем), 1995г. (Самара),

- научно- технических конференциях ПИИРС и семинарах секции теории информации Самарского правления НТО РЭС им.А.С.Попова.

Получена серебряная медаль ВДНХ 1990г. (павильон "Радиоэлектроника") за экспонат УПС 1,2/2,4 ТЧС.

Структура, объем и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка использованных источников. Общий объем работы 306 стр., в том числе основная часть работы содержит 215 стр. машинописного текста и 64 рисунка.

На защиту выносятся;

1) модели стохастического векторного пространственно-временного канала с памятью и аддитивных помех,

2) алгоритмы различения пространственно-временных сигналов в каналах с памятью при произвольной статистике помех,

3) алгоритмы фильтрации случайных полей,

4) методы и результаты теоретического исследования помехоустойчивости последовательных систем передачи,

5) анализ помехоустойчивости и потенциальной эффективности разнесенного приема в стохастическом канале связи с памятью при действии коррелированных помех,

6) методы адаптивного приема в канале с памятью при действии импульсных помех,

?) методы адаптивной фильтрации аддитивных коррелированных помех при разнесенном приеме,

8) алгоритмы адаптивного кодирования-декодирования при совмещении операций демодуляции и декодирования,

9) алгоритмы оценивания импульсной характеристики канала связи с памятью,

10) структурные схемы алгоритмов функционирования цифрового УПС и результаты лабораторных и трассовых испытаний.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна, практическая ценность работы и основные положения, выносимые на защиту.

- II -

Глава 1 "Модель пространственно-временного канала с памятью и аддитивными помехами"

В п.1.1 рассмотрена структурная схема системы передачи дискретных сообщения, характеризующая основные этапы преобразования сигнала в последовательной (одночастотноЯ) системе, использующей стохастический радиоканал с проводными вставками, и учитывающая действие аддитивных сосредоточенных (по частоте, времени и пространству) и флуктуадионных помех.

Учет условий формирования сигнала передающей антенной и средой распространения заставляет использовать пространственно-временную обработку принимаемого сигнала, т.к. по сравнению с чисто временной обработкой появляется возможность дополнительной оптимизации системы с использованием информации о свойствах среды распространения, действующих помехах и пространственном распределении передающей и приемной антенн. Передающая антенна предполагается заданной и используется пространственно-разнесенная модель формирования сигнала в виде векторной (в общем случае) функции времени Ь и пространственных координат точки наблюдения называемой полем.

Благодаря предполагаемой линейности канала все помехи, независимо от места их возникновения, могут быть пересчитаны ко входу приемного устройства и структурная схема системы передачи дискретных сообщений может быть представлена в виде рис.1.

3-2372

Рис.1

~ 12 "

где введены обозначения: - сигнальное поле, Ч(*.,г) ,

- поле (соответственно) сосредоточенных по частоте, сосредоточенных во времени (импульсных) и флуктуационных помех.

В п.1.2 рассматривается математическая модель среды распространения как пространственно-распределенной линейной системы с ограниченной полосой частот и со случайно изменяющимися параметрами. Описание модели базируется на использовании системных характеристик и методе пространства состояний.

В качестве основной системной характеристики рассматривается импульсная характеристика канала г) , представля)&-щая собой реакцию канала в момент времени t в точке пространства г на дельта-импульс, поданный в момент в некоторой фиксированной точке пространства. Рассматриваются также передаточная функция канала Н(Ы,г) и спектр реакции канала на часто-

а также характеристики, введенные преобразованием Фурье по пространственной переменной г .

Выражение

ТГ ¿ям

(¿(1,г) -- ] у $а-т) и(мт,г)е с1Т(Ц) — — в»

наглядно показывает, что канал есть устройство, "рассеивающее" входной сигнал ¿(¿) во времени и по частоте и суммирующее рассеянные составляющие с "весом" I, г), определяющим рассеяние в пространстве.

Для Н(ЦГ-)(1,1г) принята общая гаус-

совская модель, согласно которой и можно считать независимыми и нормально распределенными полями со средними Шх(^) и корреляционными матрицами • Приводится клас-

сификация каналов по виду корреляционных функций системных характеристик.

Для полей моделирование в пространстве состояний весьма затруднительно, т.к. множество точек пространственно-временной -области,-в отличие от временной.оси, нельзя в общем случае рассматривать как упорядоченное множество. Благодаря тому, что практически для всех типов радиоканалов пространственная корре-

ляция быстро убывает с расстоянием и используются узкополосные сигналы, корреляционная функция поля принадлежит классу пространственно отделимых корреляционных функций, и это позволяет использовать параметрическую модель поля, т.е. представлять поле случайным процессом в каждой точке поля f .

С использованием процедуры временной факторизации корреляционной функции по теореме Мерсера всегда может быть построено

конечномерное представление поля в переменных состояния —»

Wr) - С^Ш^Шt,Ltr) \Lefr]

где лд. -вектор переменных состояния, , , Cg - матрицы представления, 9g(t,T,r-) - гауссовский вектор возбуждающих полей, дельта-коррелированных no i и л , £ - область пространственного анализа. В работе обсуждаются свойства данной модели, рассматриваются пути ее возможного упрощения.

В п.1.3 обсуждается моделирование сосредоточенных (по частоте) помех i(t,r). Показано, что в случае гауссовского распределения мгновенных значений сосредоточенной помехи рассмотренные выше методы моделирования jp(t,T}r} могут быть непосредственно перенесены на моделирование с очевидным видоизменением. При не гауссовском характере г-), такие модели целесообразно использовать для квадратурных составляющих помехи. Для случая, когда функция расссеяния (энергетический спектр) представляет собой дробно-рациональную функцию квадрата частоты, приведен прямой метод синтеза модели в переменных состояния.

В п.1.4 рассматривается модель импульсных (сосредоточенных во времени) помех , полученная с применением методов тео-

рии марковских разрывных случайных процессов (координата л , как и выше, выступает в качестве параметра). В этой модели с -я компонента представляется через вектор переменных состоя-

в «е д ty.fafyj.fato)

где f(t,r) - пуассоновский поток дельта-импульсов со случайными амплитудами. В этом параграфе приводится, принадлежащий автору, метод синтеза матриц F^ » ^ и ^ » основанный на представлении импульсной характеристики пути распространения порождающих

импульсов дифференциальным уравнением п. -го порядка. Подробно исследуются свойства модели, получено выражение для плотности вероятности мгновенных значений .

В п. 1.5 обсуждается модель флуктуационной помехи в виде дельта-коррелированного по Ъ и г поля.

В п.1.6 - выводы по 1-ой главе.

Глава 2 "Оптимальный когерентный прием дискретных сообщений в векторном пространственно-временном канале с памятью и аддитивным шумом"

В п.2.1 выводятся формулы отношения правдоподобия для байесовской системы различения гипотез в пространственно-временном канале с памятью и комплексом гауссовских аддитивных помех при использовании непрерывных и дискретных пространственных координат.

Отношение правдоподобия для / -ой гипотезы относительно реализации последовательности дискретных элементов & длиной К на интервале 7г в некоторой пространственной области (к. имеет вид (непрерывные^координаты)

-////^Яа)ИСЬ Ь; Щ)сИЛ2 ^ с1гг -

т т ооща

/77/" ^;^) й^в^^аг^ ; ¿-.р*

оо в) л

где - наблюдаемое поле, Ки> - корреляционная матрица по-

ля гауссовских помех, ш. - основание кода. Вычисление /у по этой формуле предполагает реализацию приема "в целом" всей переданной последовательности 1Г . Альтернативой может служить рекуррентная модификация приема "в целом" или поэлементный прием, рассматриваемые ниже.

В п.2.2 дается представление отношения правдоподобия при не гауссовских помехах

М =д - 1м]<а с1г -

о £

-Д Ш]с1Ыг- ; г-

(первый интеграл по ~к понимается в смысле йго), где_

^соответствует случаю ¿¿/{^г].-о , (•) - символ оценки по критерию минимума среднеквадратической ошибки (СКО), М> - спектральная плотность мощности флуктуационного шума. Эта формула является обобщением результата Т.Кайлатса на случай приема векторных стохастических полей. Для вычисления А^ по этой формуле требуются условные оценки поля полезного сигнала Ц.({,г) , поля сосредоточенных и импульсных г) помех.

В п.2.3 решается задача по оцениванию случайного поля по критерию минимума СКО.

Сначала решается задача нелинейного оценивания при временной обработке в каждой точке поля. Оценка является условным средним, для нахождения которой требуется знание апостериорной плотности вероятности г) , получаемой из решения стохастического уравнения Иго. С использованием результатов главы 1, где получено общее представление сигнальных и шумовых полей в переменных состояния, записаны уравнения нелинейной фильтрации для нахождения . Эти уравнения аналогичны уравнениям Калмана-Бьюси с отличием, обусловленным появлением пуассоновской составляющей в модели состояния.

В этом же параграфе приводятся уравнения линейной пространственно-временной фильтрации поля по критерию минимума СКО

А А

<г А л

%г) СМ1М

$ - корреляционная матрица вектора возбуждающих полей в общей модели сигнального и шумовых полей. В данных уравнениях при нахождении оценки поля в каждой точке г используется информация о наблюдениях и оценках во всех точках поля.

В п.2.4 описаны алгоритмы, допускающие практическую реализацию приема "в целом" для при пространственно-временной обработке полей. Это - алгоритм Витерби (АВ) и алгоритм "приема в целом с поэлементным принятием решения" (ПЦППР).

Приращение метрики </ -го кратчайшего пути для С -ой гипотезы его развития в АВ можно представить в виде

1 2 4-2*Т>

где М - память канала, выраженная числом тактовых интервалов Т. Оценки и £ получаются рекуррентно, как показано в п.2.3, ^ формируется из Х^г) в соответствии с гипотезой ¿е , а Д* -непрерывно уточняется.

Существенным признаком приемника, работающего по алгоритму ПЦППР, является использование обратной связи по решению (ОСР), действие которой, как показано в работе, не приводит к ощутимой потере помехоустойчивости алгоритма. Решение о символе согласно алгоритму выносится по правилу

п*г1Г[г л -X х Л. 7 —

бгаушп / У/г^-С^О1 - ^ ^ ; у, V

л ' Г; « ' "

- сигнал, характеризующий действие межсимвольной интерференции от посылок, предшествующих ^ , и формируемый с использованием ОСР. Для линейных видов модуляции

В параграфе обсуждается практическая реализация демодуляторов, работающих по АВ и ПЦППР, сравниваются вычислительные затраты устройств, их реализующих.

В п.2.5 дан анализ помехоустойчивости АВ и ПЦППР с идеальной ОСР методом вычисления границ вероятности ошибки с использованием неравенства ( для произвольных событий б?1 )

С ' с

правая часть которого совпадает с неравенством Буля. На рис.2 приведены верхняя Рв и нижняя/1" границы вероятности ошибки в канале с постоянными параметрами для разных форм импульсной реакции канала при М-ц (Л'--'/ рис 2 относится только к ПЦППР в двух-

лучевом канале) иг

, МГ мт

= т-ЩМеа ;

Кривая для Р" совпадает с кривой Котельникова (кривая вероятности ошибки оптимального приемника противоположных сигналов в канале без памяти). Из рис.2 следует, что помехоустойчивость АВ и ПЦППР практически совпадает. Для ПЦППР увеличение памяти канала М практически не приводит к ухудшению помехоустойчивости.

В данном параграфе произведено также сравнение помехоустойчивости ПЦППР и приемника с автоматическим корректором. При Р=Ю~3 энергетический проигрыш последнего составляет 6дБ в канале с разделяющимися лучами. Для алгоритма ПЦППР получены также границы вероятности ошибки в канале с замираниями.

В п.2.6 определена потенциальная помехоустойчивость поэлементного приема в канале с памятью. Результат получен анализом помехоустойчивости оптимального по критерию максимума апостериорной вероятности приемника, осуществляющего полный перебор гипотез относительно реализации кодовых символов на интервале памяти канала до и после анализируемого символа. Используя разложение в ряд Эджворта плотности вероятности случайной величины, образованной весовой суммой логнормальных случайных величин, и вычисляя необходимые кумулянты искомой плотности, для условной вероятности двоичного перехода (1 -1) при фиксированном наборе символов 6 {г'4"', следующих за анализируемым, можно получить

О/,Л гр 1\ 4 Г Г А**2»« (МП

где - квазимоменты распределения, достаточно просто определяемые методами кумулянтного анализа. Практические расчеты по этой формуле подтвердили близость кривой Р(г 4№)=}(■%?) кривой Котельникова.

В п.2.7 проанализировано влияние ОСР на помехоустойчивость алгоритма ПЦППР вычислением условных вероятностей ошибки, характеризующих появление на выходе приемника цепочек ошибочных решений определенной длины и конфигурации. На рис.3 для канала с разделющимнся лучами ( , ^ ) приведены кривые вероятности сшибки для "наихудшего" и "наилучшего" случаев комбинации

5-2372

10

N \

N \ \ \ 1-1-1/-1+1

\ V- \

ЁЫН- V \ \ \ \ \

- 18 -

ошибочных решений при действии ОСР.(Пунктир - кривая Котельни-кова). Из рис.3 следует, что реальная ОСР в алгоритме ПЦППР не приводит к размножению ошибок на выходе приемника. Здесь же приведены условия, которым должна удовлетворять импульсная характеристика канала для того, чтобы

В п.2.8 дана рекуррентная реализация алгоритма ПЦППР, которая уменьшает число операций сложения и число операций умно-Если метрика последовательности

Рис.3

жения не менее, чем в М раз 6е %к (для скалярного поля)

С* (К- Ь) -- / а({- ^г)]сИсЬ

о й »"О л

а приращение метрики на интервале

[пТ> (к+1)т]

/п. 1 (т*1)г

ИТ №.

ГИМ11

ТО

где

п. МИ (все) к*М(ОСР) Уяч =

Л1»(0СР)

ГНМ

б,

10* 101 -« 10 \

\ * \\

Л ^ Л ч \

В \ \\ ч\-

На рис.4

& А(е>СР)\

К )

РИС.4

приведены результаты моделирования рекуррентной модификации алгоритма ПЦППР (сплошная), АВ (пунктир) и АВ с "глобальной" ОСР(штрих-пунктир) для П1 М-5 . Задержка в принятии решения - Л/ . Кривая 1 -канал без памяти, 2 - двухлучевой канал с разделяющимися лучами равной интенсивности, 3 - канал с равномерно рассеянной -энергии ей импульсной реакции.

Я

з

Моделирование подтвердило выводы о соотношении помехоустойчивости АВ и ПЦШ1Р, сделанные в п.2.5.

В п.2.9 - выводы по главе.

Глава 3 "Методы повышения достоверности приема в пространственно-временных каналах с сосредоточенными и импульсными помехами"

В п.3.1 рассматривается разнесенный прием в стохастических пространственно-временных каналах с межсимвольной интерференцией и гауссовскими сосредоточенными помехами в случае, когда наблюдаемое поле обрабатывается по алгоритму ПЦППР при оптимальном выборе опорных сигналов (согласно п.2.1). Здесь на основе верхней аддитивной границы анализируется помехоустойчивость в условиях действия широкополосных и узкополосных коррелированных помех в разных ветвях разнесения в двухлучевом замирающем канале при произвольной корреляции замираний лучей.

В результате анализа установлено, что в канале с МСИ лишь определенные конфигурации ошибок на интервале анализа дают наибольший "вклад" в вероятность ошибочного приема. Так, например, при для рассматриваемого канала

Р(ч-*-г, /уьай; прое.;Ч+1)+ 5-р(1-*-1; прав.; прав,- прав.)

Замирания сигнала приводят к выравниванию близких по значению вероятностей ошибки, независимо от конкретной конфигурации ошибок на интервале анализа. В параграфе приведены графики вероятности ошибки £-}(кг) для рэлеевских, усеченно-нормальных и райсовских замираний для разных значений корреляции лучей и разных видов сосредоточенных помех при сдвоенном и одиночном приеме.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

- в многолучевом канале с замираниями и гауссовской сосредоточенной помехой при оптимальном использовании сигналов ветвей разнесения наилучшая помехоустойчивость достигается при ярко выраженной регулярной составляющей коэффициента передачи каждого луча (райсовский канал). Так, для случая одинаковой средней мощности "белого" шума и сосредоточенной помехи при высокой корреляции помехи в ветвях разнесения { ) для Р*5-1о* энергетический выигрыш перехода от рэлеевского канала к райсовско-

му составляет 5,5дБ. При этом наибольший эффект от разнесения при наличии сосредоточенной помехи провляется в худшем канале.

- при существенном преобладании средней мощности сосредоточенной . помехи над мощностью "белого" шума наличие пространственной корреляции помехи позволяет существенно повысить помехоустойчивость приема. Энергетический выигрыш от использования этой корреляции сильнее проявляется в "хороших" каналах. При Р=1ог переход от р--о к дает в райсовском канале 4,8дБ, в усеченно-нормальном канале- 2,4дБ. По сравнению с одиночным приемом выигрыш от использования пространственной корреляции при разнесенном приеме еще значительней : в райсовском канале он составляет 7,8дБ.

- наличие корреляции лучей полезного сигнала в каждой ветви разнесения увеличивает вероятность ошибки. Выигрыш по вероятности ошибки при отсутствии корреляции ярче выражен в "хороших" каналах . Отсюда следует, что на практике при выборе ветвей разнесения следует стремиться к тому, чтобы замирания сигнала в ветвях разнесения были некоррелированы, а составляющие сосредоточенных помех - наоборот, максимально коррелированы.

- разнесенный прием более эффективен при действии узкополосных сосредоточенных помех, особенно в канале с ярко выраженной регулярной составляющей коэффициента передачи: в райсовском канале при Р- 1о6 энергетический выигрыш от "замены" широкополосной помехи на узкополосную составляет 6дБ. Уменьшение эффективной ширины спектра полезного сигнала при сохранении полосы обрабатываемых частот приводит к увеличению вероятности ошибки. Это означает, что при разнесенном приеме для борьбы с сосредоточенными помехами в канале с памятью предпочтительным является использование сигналов с равномерным в пределах предоставленной полосы частот спектром.

В п.3.2 рассматривается субоптимальный оценочно-корреляционный приемник для пространственно-временного канала с памятью и импульсными помехами. Импульсная помеха моделируется методами п.1.4.

Приемник работает по алгоритму ПЦППР и вычисляет функционал отношения правдоподобия в виде (для скалярного поля) Ъмг,

—-

Ч Л , —

] }

где $(í/r) - безусловная оценка импульсной помехи Qfar) по

критерию минимума СКО. В условиях априорной неопределенности относительно значений составляющих вектора параметров импульсной помехи > задачу оценивания f¿(i,r) можно сформулировать как задачу идентификации по критерию максимального правдоподобия. При этом реализация вектора должна минимизировать функцию потерь вида

V. ] JÍM/(t,r)c¿idr- * ] г)dictr-П & 71 «

где 2"(t,r)= ^(t^+nC-f-tf) ~ сигнал, формируемый с использованием ОСР. Методом статистических испытаний проанализирована о 5 ю эффективность данного приемника

в канале с постоянными парамера-ми при М-5 в предположении, что импульсная помеха имеет форму, представленную на рис.5, моменты появления помехи распределены по пуассоновскому закону с параметром интенсивности V=qc>3 и yU -случайная величина с , -

отсчет импульсной реакции канала,

Кривая I характеризует схему приема при отсутствии импульсных помех, кривая 2 соответствует демодулятору без фильтрации импульсной помехи.

В п.3.3 исследуются возможности адаптивной фильтрации сосредоточенных помех при разнесенном приеме в условиях априорной неопределенности относительно свойств сосредоточенных помех. В этом параграфе показано, что адаптивный фильтр (АФ) (например, трансверсальный фильтр, коэффициенты усиления которого регулируется сигналом обратной связи с выхода схемы фильтрации алгоритмом наименьших квадратов), включенный по схеме рис".6, позволяет подавить сосредоточенную помеху в верхней ветви разнесения в случае когда полезные сигналы Ч^Ц) и ЦгЦ) не коррелирова-ны ( Р,к=0 ) в ветвях разнесения, а помехи и коррели-

ровали ( Ru-i ). Этот вывод справедлив при любой форме энерге-

^— ---

\ s \ N \\ 4 \ N

^ 7 1 ?П -OfijU \ N \ А. \ \ \

Рис.5

Рис.6

тического спектра помехи, даже совпадающей с формой спектра полезного сигнала, и при любых ее статистических характеристиках. Отклонение от "идеальных" условий Рк.-0> существенно ухудшает показатели адаптивной фильтрации.

Для повышения эффективности фильтрации предложен матричный АФ, управление работой которого осуществляется алгоритмом Гриффитса, заимствованным

из метода адаптивного формирования "лучей" диаграммы направленности антенной решетки. Схема матричного АФ представлена на рис.7, где - вычислитель отсчетов функции

f

к%

1 t

А%

"А Г"

Рис.?

взаимной корреляции и 32(t) , "АГ" - алгоритм Гриффитса, УФ - усредняющий фильтр, МУ - масштабный усилитель. Эффективность данной схемы, оцененная энергетическим выигрышем, в 2 раза выше эффективности простой схемы адаптивной фильтрации.

В п.3.4 дан анализ эффективности пространственно-временной обработки сигналов в предположении непрерывной по пространственной координате обработки наблюдаемого поля по сравнению с чисто временной обработкойв одной точке в условиях действия коррелированных помех в канале с памятью при использовании алгоритма

ПЦППР. В качестве сосредоточенной помехи использовался однолу-чевой сигнал, приходящий с направления 9К= (о, V) , определяемого углом места 9 и азимутом У , корреляционная функция которого имеет вид /¿,-¿3/

где X ~ средняя мощность помехи,

частота и длина волны помехи, ~ разность хода плоской волны между началом координат и точкой

Тк - интервал корреляциии. С использованием спектрального метода решения интегрального уравнения Фредгольма, определяющего оптимальный опорный сигнал в алгоритме ПЦППР, показано, что когда в каждой точке раскрыва антенны пространственно-частотные характеристики сигнала и помехи не совпадают, возможно полное подавление сосредоточенной помехи. Если сосредоточенная помеха отсутствует, то энергетический выигрыш ( V ) V- , где /> - область пространственных частот, что совпадает с известным результатом когерентного накопления сигнала на фоне "белого" шума. В общем случае (при наличии сосредоточенной помехи) подсчитано значение энергетического выигрыша в двухлучевом канале с памятью для выбранной модели сосредоточенной помехи при изменении ее параметров.

В п.3.5 - выводы по главе 3.

Глава 4 "Некоторые аспекты применения кодирования в последовательных системах передачи дискретных сообщений в каналах с памятью"

В данной главе обсуждаются проблемы применения алгоритма ПЦППР в последовательных системах передачи дискретных сообщений по каналам с памятью, использующих коды, допускающие декодирование алгоритмами переборного типа.

В п.4.1 рассматривается возможность совмещения операций демодуляции и декодирования при выполнении их одним алгоритмом.

Для того, чтобы на основе конкретного алгоритма поэлементного приема получить алгоритм, совмещающий операции демодуляции и декодирования при использовании, например, сверточного кода (СК) необходимо:

- оптимизацию целевой функции, выполняемую на множестве канальных сигналов, заменить оптимизацией на множестве кодовых последовательностей сверточного кода,

- увеличить задержку в' принятии решения на величину, равную дли-^не кодовой последовательности, на которой достигается свободное расстояние кода,

- в качестве элемента сообщения, о котором должно быть вынесено решение, следует рассматривать последовательность информационных символов, соответствующих одной ветви сверточного кода.

По данному принципу в данном парграфе на совмещение операций демодуляции и декодирования обобщены алгоритм ПЦППР и алгоритм Абенда-Фритчмана. Проведено статистическое моделирование для оценки эффективности полученных алгоритмов при следующих условиях: Н-5 , параметры СК - £= * (скорость кода), Г=3 -(кодовое ограничение), ¿¿--5 (свободное расстояние). Результаты -

на рис.8. Кривая 1 - канал без памяти, кривые 2 - двухлучевой канал с разделяющимися лучами, кривые 3 - канал с равномерно рассеянной энергией импульсной реакции. Пунктир - алгоритм ПЦППР, сплошная - алгоритм Абенда-Фритчмана, штрих-пунктир - раздельное выполнение демодуляции по ПЦППР и декодирования по АВ.

Энергетический выигрыш от совмещения операций при составляет ~ 2дБ.

В параграфе рассматривается практическая реализация полученных алгоритмов.

В п.4.2 рассматривается прием с адаптивным декодированием в канале с памятью на основе использования алгоритма ПЦППР при совмещении операций демодуляции и декодирования. Метод адаптивного декодированиям предложен для дискретного канала Р.Галлаге-ром и предназначен для борьбы с пачками ошибок, обусловленными длительным возмущением канала связи. Суть этого метода заключается в следующем. На передающей стороне в проверочные символы сверточного кода определенным образом "замешиваются" задержанные на и тактов информационные, а собственно адапташя осуществляется на приемной стороне. В условиях отсутствия пачки оши-

бок (невозмущенный канал) декодер осуществляет исправление случайных ошибок и остается в этом состоянии до тех пор, пока интенсивность возникновения ошибок не становится слишком большой (возмущенный канал), и декодер начинает "работать" по задержанным информационным символам, "замешанным" в проверочные.

идеология этого метода перенесена здесь на непрерывный канал с памятью, сигналы на выходе которого обрабатываются по алгоритму ПЦППР с совмещением операций демодуляции и декодирования. Разработан алгоритм адаптации м реализующая его структурная схема устройства. Проведено сравнительное статистическое моделирование в канале с разными видами возмущений адаптивной ^ схемы -(1), схемы, использующей

принцин перемежения-деперемеже-ния кодовых символов - (2) и схемы, выполняющей совместно демодуляцию и декодирование - (3). На рис.9 приведены результаты моделирования для канала с постоянными параметрами (память М=з ), возмущение которого обусловлено периодическим воздействием на вход приемника мощного мешающего сигнала (например, от радиолокатора кругового обзора). Периодичность воздействия-17/197. К - ин-

Рис.9

тервал перемежения матричного перемежителя.

На рис.9 очевидно преимущество приемника с адаптивным декодированием.

В п.4.3 - выводы по главе 4.

Глава 5 "Оценивание характеристик канала связи с памятью при последовательной передаче дискретных сообщений"

В преамбуле к главе 5 ставится две задачи ¡единичное (первоначальное) измерение импульсной характеристики канала с памятью, осуществляемое по идеально классифицированной выборке и текущее оценивание импульсной характеристики по условно классифицированной выборке. Обсуждается целесообразность поиска алгоритмов оценивания, устойчивых по Адамару, у которых малым изме-

нениям входного сигнала соответствуют малые изменения оценки.

В п.5.1 рассматривается оценивание по критерию максимального правдоподобия. Здесь показано, что в случае, когда наблюдению доступен вектор отсчетов принимаемого колебания ?

где В - матрица кодовых символов, 6 - вектор отсчетов импульсной реакции, IV - вектор отсчетов мешающего процесса, максимально правдоподобная оценка (МП) импульсной характеристики записываемая как X -г ,

не обладает устойчивостью в выше приведенном смысле, даже при точно известных элементах матрицы Ж . Корректность оценивания можно обеспечить с использованием метода псевдообращения матриц по Муру-Пенроузу.

В п.5.2 дано решение задачи первоначального оценивания импульсной реакции методом регуляризации А.Н.Тихонова. Регуляри-зованные оценки имеют вид

^ у ->т -г-\—/

(В-в**1) ь г

I - единичная матрица, ьС - параметр регуляризации ( <=с?о ). В данном параграфе исследуются статистические свойства (СКО, смещение) регуляризованных оценок для разных значений М . Показано, что регуляризованные оценки, являясь устойчивыми по Адамару обладают существенно меньшей СКО оценивания, чем оценки МП. Платой за это является наличие смещения у регуляризованных оценок, зависящего от <к .

В п.5.3 рассматривается текущее оценивание импульсной реакции. Приводится эвристический алгоритм оценивания (? , применяемый на практике в последовательных системах, исследуются его свойства в стохастическом канале связи с памятью. В качестве альтернативы предлагается алгоритм оценивания, основанный на методе регуляризации. При решении задачи текущего оценивания появляется возможность компенсации смещения с сохранением малой СКО оценивания. Компенсация смещения делает некритичным выбор численного значения параметра регуляризации, т.к. в рассматриваемом модифицированном алгоритме регуляризации с увеличением СКО уменьшается, что эквивалентно эффекту "накопления" оценок.

Предлагается два метода компенсации смещения, Показывается, что отказ от использования ОСР, применяемой для компенсации пос-

ледействия, существенно уменьшает (для М=з в 1,8 раза) дисперсию ошибки оценивания. По сравнению с оценками МП дисперсия ошибки регуляризованных оценок уменьшается в 9 раз при М=3 .

Приводятся структурные схемы устройств, реализующих предлагаемые алгоритмы оценивания, проведено статистическое моделирование работы предлагаемых устройств.

В п.5.4 - выводы по главе 5.

Глава 6 "Реализация цифровых устройств оптимальной обработки сигналов в стохастических каналах с памятью (когерентная обработка при разнесенном приеме)"

В п.6.1 описана функциональная схема устройства преобразования сигналов (УПС) УПС 1,2/2,4 ТЧС , предназначенного для передачи двоичных сообщений в полосе канала ТЧ со скоростью 1200 и 2400 бит/с по составному (декаметровый + проводной) каналу связи. Вид модуляции - ФМ и ФМ с частично подавленной боковой полосой, код - систематический сверточный с . Каналь-

ная скорость пердачи - 1600/3200 бит/с. Канальная скорость отличается от информационной за счет избыточности структуры группового сигнала, обусловленной периодическим повторением испытательной комбинации (классифицированная выборка), обеспечивающей решение задачи первоначального оценивания импульсной реакции, а также задач вхождения в связь, установления и поддержания цикловой синхронизации и автоматической подстройки частоты.

Для реализации УПС 1,2/2,4 ТЧС выбран цифровой процессор обработки сигналов (ЦП0С) семейства TMS - TMS 320с25, выполняк>-ший операции с 16 разрядными числами с длительностью такта обработки 100 не.

В основу функционирования УПС положен алгоритм ПЦППР с совмещением операций демодуляции и декодирования.

В п.6.2 дана реализация алгоритма демодуляции в цифровом адаптивном УПС при когерентном сложении сигналов различных ветвей разнесения. В данном параграфе показано, что существенного сокращения количества вычислительных операций на одном такте обработки можно достичь, используя корреляционную форму записи правила решения в алгоритме ПЦППР при рекуррентном вычислении отношения правдоподобия.

В п.6.3 обсуждается структурная схема алгоритма синхрони-

зации УПС 1,2/2,4 ТЧС. Для решения задачи цикловой синхронизации используется периодическое повторение испытательной комбинации. Рассматривается алгоритм выявления периодичности структуры группового сигнала и его программная реализация для ЦПОС.

В п.6.4 даны результаты лабораторных испытаний УПС 1,2 ТЧС Конструктивно УПС представляет собой плату, устанавливаемую на свободный разъем IBM PC. Цепи стыка соответствуют стандарту RS 232. Лабораторные испытания проводились на имитаторе радиоканала ИРК-2. В качестве базы для сравнения в лабораторных испытаниях использовались УПС 1,2/2,4 ТЧС, выполненное на основе дискретно-аналоговой обработки сигналов (изделие ИА-079 изготовления НПО "Красная Заря") и УПС "Разбег-КВ" многочастотного (параллельного) типа, разработки ПНИИЭТУ. Лабораторные испытания продемонстрировали очевидное преимущество цифрового УПС 1,2 ТЧС во всех режимах испытаний.^

В п.6.5 приведены результаты трассовых испытаний УПС 1,2 ТЧС , которые проводились на трассе Москва - Самара в декабре 1994г. Приведены кривые надежности связи. В данных испытаний вероятность ошибки Р = 10~э обеспечивалась с надежностью 90%.

В п.6.6 кратко описано УПС бМбит/с "Тропа", предназначенное для передачи двоичных сообщений по тропосферному каналу метрового диапазона со скоростью бМбит/с в полосе бМгц, в качестве элементной базы которого использованы базовые матричные кристаллы. Разработка принципиальных электрических схем УПС продемонстрировала возможность использования оптимальных методов цифровой обработки сигналов на выходе тропосферного канала.

В п.6.7 дана информация о демодуляторе "нормального" пакета системы сотовой радиосвязи в стандарте GSM, построенного с использованием алгоритма ПЦППР, для СВЧ канала частоты 900 МГц. Использование алгоритма ПЦППР вместо алгоритма Витерби позволило в 2 раза сократить вычислительные затраты при реализации демодулятора на ЦПОС TMS 320с25. Проведены лабораторные испытания системы сотовой связи, подтвердившие эффективность выбранных алгоритмов обработки сигналов.

В п.6.8 - выводы по главе 6.

В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приведен вывод уравнений линейной фильтрации поля.

В ПРИЛОЖЕНИЯХ 2,3 и 4 приведены документы, подтверждающие вцедрениеииспользованиерезультатовдиссертационной работы.

- 29 -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1.Развита линейная модель векторного пространственно-временного стохастического канала связи с рассеянием энергии во времени, по частоте и в пространстве. В форме стохастических дифференциальных уравнений приведено описание среды распространения сигнала и комплекса аддитивных сосредоточенных по частоте и во времени помех.

2.Разработаны алгоритмы различения гипотез относительно реализации последовательности дискретных элементов в стохастическом векторном пространственно-временном канале с памятью на фоне гауссовского белого шума и помех любого вида с произвольной статистикой. Показано, что функционал отношения правдоподобия вычисляется через оценки принимаемого сигнала и помех, полученные по критерию минимума среднеквадратической ошибки. Требуемые оценки реализуются алгоритмами, сходными с алгоритмами типа Калмана-Бьюси.

3.Разработаны методы анализа помехоустойчивости последовательных систем передачи дискретных сообщений в каналах с памятью. По результатам анализа помехоустойчивости показано, что практическая реализация приема в целом полубесконечной последовательности дискретных элементов в канале с памятью целесообразна на основе алгоритма "прием в целом на интервале рассеяния с поэлементным принятием решения" (ПЦППР), использующего обратную связь по решению (ОСР). Исследовано влияние ОСР на помехоустойчивость алгоритма ПЦППР. Показано, что при высокой точности оценивания параметров канала связи с памятью и помех характеристики помехоустойчивости алгоритма ПЦППР близки к потенциально достижимым. Предложена рекуррентная реализация алгоритма ПЦППР.

4.Для стохастического пространственно-временного канала с памятью и аддитивной широкополосной и узкополосной помехой развиты методы разнесенного приема дискретных сообщений. Проведен анализ помехоустойчивости разнесенного приема, реализованного на основе алгоритма ПЦППР, в'замирающем канале с памятью при действии широкополосных и узкополосных помех. Рассчитана потенциальная эффективность (энергетический выигрыш) разнесенного приема при непрерывной обработке наблюдаемого поля по пространственной координате.

- 30 -

5.На основе оценочно-корреляционного принципа предложен метод приема сигналов дискретных сообщений в каналах с памятью и импульсными помехами. Проанализирована помехоустойчивость предлагаемого метода приема.

6.Рассмотрены методы борьбы с аддитивными коррелированными помехами, основанные на использовании адаптивной фильтрации совместно с разнесенным приемом. В условиях априорной неопределенности относительно свойств аддитивных коррелированных помех предложен метод построения адаптивного матричного фильтра для борьбы с коррелированными помехами. Дан анализ эффективности методов адаптивной фильтрации помех.

7.Рассмотрены некоторые аспекты использования корректирующего кодирования (на примере сверточных кодов) в каналах с памятью. Приведены методы повышения эффективности передачи дискретных сообщений, основанные на совмещении операций демодуляции и декодирования.

Развиты идеи адаптивного кодирования-декодирования для стохастического канала связи с памятью и помехами, использующие совмещение в месте приема операций демодуляции и декодирования. Методом статистических испытаний дан анализ эффективности предлагаемых алгоритмов обработки сигналов в каналах с различными видами возмущений.

8.Разработаны алгоритмы оценивания импульсной характеристики канала связи с памятью, основанные на использовании метода регуляризации решения обратных задач. Предложена модификация метода регуляризации для решения задачи непрерывного слежения за изменением импульсной характеристики канала связи. Приведен анализ точностных характеристик алгоритмов оценивания.

9.Разработаны структурные схемы алгоритмов функционирования цифрового УПС для передачи двоичных сообщений со скоростью 1200-2400 бит/с по декаметровому каналу в полосе канала ТЧ и программное обеспечение цифрового процессора обработки сигналов (семейства TMS), реализующее алгоритмы оценивания, демодуляции и синхронизации для цифрового УПС 1,2/2,4 ТЧС.

10.Проведены лабораторные и трассовые испытания одночас-тотного цифрового УПС 1,2 ТЧС, продемонстрировавшие высокую конкурентноспособность изделия - высокая надежность связи по вероятности ошибки, малые энергоемкость, габариты, вес (конструктив - плата, устанавливаемая на свободный разъем IBM PC).

11.Разработаны алгоритмы функционирования и принципиальные

электрические схемы УПС 6 Шит/с "Тропа", предназначенного для передачи дискретных сообщений по тропосферному каналу связи со скоростью 6 Мбит/с в полосе до 6 МГц. Разработка данного УПС продемонстрировала возможность создания цифровых устройств обработки сигналов в реальном масштабе времени при высокоскоростной передаче дискретных сообщений по каналу метрового диапазона.

12.Разработан цифровой демодулятор (реализуемый программно с применением ЦПОС TMS 320с25) для системы сотовой радиосвязи с подвижными объектами в стандарте GSM, осуществляющий демодуляцию сигналов дециметрового диапазона при скорости передачи 277 кбит/с в полосе 150 кГц. Проведены лабораторные испытания демодулятора в составе комплекса аппаратуры, продемонстрировавшие высокую помехоустойчивость и эффективность использованных алгоритмов обработки (различение, оценивание, синхронизация).

■Публикации. По материалам диссертации опубликована 71 работа, включая авторские свидетельства и тезисы докладов на конференциях. Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях :

1. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Прием с адаптивным декодированием в канале с памятью // Радиотехника, 1996, 1 квартал**

2. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Компенсация аддитивных помех в последовательных системах с обратной связью по решению // Радиотехника, 1996, 1 квартал*'

3. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д. Помехоустойчивость разнесенного приема в пространственно-временных каналах с МСИ // Электросвязь, 1995, 4 квартал**

4. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д. Адаптивная фильтрация сосредоточенных помех в канале с переменными параметрами при разнесенном приеме // Электросвязь, 1995, 4 квартал**

5. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Адаптивная фильтрация сосредоточенных помех по оценочно-корреляционному принципу // Электросвязь, 1995, 4 квартал**

6. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Непереборный алгоритм де-

* )

модуляции для канала с памятью // Радиотехника, 1995, 4 квартал

7. Устройство демодуляции двоичных сигналов / В.Г.Карташевский, Д.В.Мишин - Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке

5015938/09 от 15.06.95 с приоритетом от 22.07.91._

*) публикация данной работы в указанные сроки подтверждается справкой из редакции журнала

- 32 -

8. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Приеме адаптивным декодированием в каналах с памятью // В сб. : Тезисы докл. XLX Научной сессии, посвящ. дню Радио - Москва, 1995.

9. Карташевский В.Г. Использование фильтра Калмана для решения задачи демодуляции в канале с памятью // Радиотехника. -1994. - N3. - С.71-73.

10. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Анализ помехоустойчивости демодуляции в канале с памятью при замене различения оцениванием // Радиотехника. - 1994. - N10. - С.73-76.

11. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Анализ потенциальных возможностей замены различения оцениванием в канале с памятью методом статистических испытаний // Сб. трудов учебн. заведений связи; - 1994. - N158. - С.115-116.

12. Карташевский Д.Д., Кловский Д.Д. Адаптивная фильтрация сосредоточенных помех при разнесенном приеме // В сб.: Тезисы докл. XLIX Научной сессии, посвящ. дню Радио - Москва, 1994.

13. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д. Помехоустойчивость разнесенного приема в пространственно-временных каналах с межсимвольной интерференцией // В сб. : Тезисы докл. XLVIII Научной сессии, посвящ. дню Радио - Москва, 1993.

14. Патент РФ N 780211, 1993г. Устройство для оценки параметров канала связи / В.Г.Карташевский, Б.И.Николаев. -Опубл. в БИ N5, 1980.

15. Патент РФ N 832763, 1993г. Способ демодуляции дискретных сигналов / Д.Д.Кловский, Б.И.Николаев, В.Г.Карташевский.-Опубл. в БИ N19, 1981.

16. Патент РФ N 794767, 1993г. Устройство для демодуляции двоичных сигналов / В.Г.Карташевский, Б.И.Николаев. - Опубл. в БИ N1 1981.

17. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Рекуррентное решение задачи демодуляции методом "погружения" в каналах с памятью // ТУЖ. - 1992. - N156. - С.3-6.

18. Карташевский В.Г. Замена различения гипотез оцениванием при демодуляции в каналах с памятью // В сб. : Тезисы докл. Всесоюзн. семинара "Статистич. синтез и анализ информ. систем"-Черкассы, 1992.

19. Патент РФ N 1725402. Устройство для измерения импульсной реакции канала связи / В.Г.КарташевскиЯ. - Опубл. в БИ N13, 1992.

20. A.c. 1711340 (СССР). Устройство для измерения импульс-

- 33 -

ной реакции / В.Г.Карташевский. - Опубл. в БИ N5, 1S92.

21. A.c. 1819106 (СССР). Устройство для приема двоичных сообщений в канале с меасимвольной интерференцией / В.Г.Карташевский, Д.Д.Кловский, А.А.Обухов и др. - Для служебн. пользов.

22. A.c. 1720165 (СССР). Устройство для приема дискретных сигналов в каналах с памятью / В.Г.Карташевский, Д.Д.Кловский, С.А.Белоус. - Опубл. в БИ N10, 1992.

23. A.c. 1781828 (СССР). Устройство для оценки параметров многолучевого канала связи / В.Г.Карташевский. - Опубл. в БИ N46, 1992.

24. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д. Алгоритм приема "в целом" с поэлементным принятием решения в канале с межсимвольной интерференцией // В сб.: Тезисы дохл, меядународн. нау^шо-техн. конф. "Статистич. методы в теории и преобр. информ. сигналов", Киев, 1992.

25. Карташевский В.Г., Белоус С.А. Алгоритмы приема сигналов со сверточным кодированием в канале с межсимвольной интерференцией // В сб. : Тезисы докл. мездународн. научно-техн.конф. "Статистич. методы в теории и преобр. информ. сигналов", Киев, 1992.

26. Карташевский В.Г. Решение задачи различения гипотез в канале с памятью методом "погружения" // Радиотехника. - 1991.-N5. - С. 71-73.

27. Кловский Д.Д., Карташевский В.Г., Белоус С.А. Рекуррентная модификация алгоритма приема в целом с поэлементным принятием решения // Радиотехника. - 1991. - N1. - С.58-59.

28. Кловский Д.Д., Карташевский В.Г., Белоус С.А. Прием сигналов со сверточным кодированием в канала« с межсимвольной интерференцией //Проблемы передачи информации. - 1991, вып.2, с.97-100.

29. A.c. 1653172 (СССР). Устройство дда приема дискретных сигналов в каналах с памятью / Д.Д.Кловский, В.Г.Карташевский, С.А.Белоус. - Опубл. в БИ N20, 1991.

30. A.c. 1653162 (СССР). Устройство для измерения импульсной реакции канала / В.Г.Карташевский. - Опубл. в БИ N20, 1991.

31. A.c. 1617656 (СССР). Устройство для демодуляции двоичных сигналов / В.Г.Карташевский, Д.Д.Кловский. - Опубл. в БИ N48, 1991.

32. A.c. 1538270 (СССР). Устройство для демодуляции дискретных сигналов / Д.Д.Кловский, В.Г.Карташевский, С.А.Белоус. -

Опубл. в БИ N3, 1990.

33. Карташевский В.Г. Метод компенсации смещения при линейном оценивании с использованием обратной связи по решению // Адаптивные системы связи : Сб. научн. трудов учебн. ин-тов связи // ЛЭЖ. - Л., 1989. -С.107-111.

34. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д. Помехоустойчивость приема "в целом" с поэлементным принятием решения при учете реальной обратной связи по решению // Обработка сигналов в системах связи : Сб. научн. трудов учебн. ин-тов связи // ЛЭИС, - Л., 1989. - С.30-33.

35. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д. Анализ помехоустойчивости алгоритма "прием в целом с поэлементным принятием решения" // Радиотехника. - 1989. - N1. - С.37-40.

36. Адалтивнные последовательные УПС для передачи дискретных сообщений по радиоканалам (аналоговая обработка сигналов) / Д.Д.Кловский, Б.И.Николаев, В. J\ Карташевский и др. - Техника средств связи (серия ТРС), 1989, вып. 1, с.17-23.

37. A.c. 1494235 (СССР). Устройство для оценки параметров многолучевого канала связи / В.Г.Карташевский.-Опубл. в БИ N26, 1989.

38. Кловский Д.Д., Карташевский В.Г., Белоус С.А. Сверточ-ное кодирование при использовании СИИП // В сб. : Тезисы докл. X Всесоюзн. конф. по теории кодир. и передачи инф., Москва-Одесса, 1988.

.39. A.c. 1406798 (СССР). Устройство для измерения импульсной реакции / В.Г.Карташевский. - Опубл. в БИ N24, 1988.

40. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д. Прием "в целом" в канале с МСИ // В сб. : Тезисы докл. XLII Всесоюзн. научн. сессии, посвящ. дню Радио. - Москва, 1987.

41. Карташевский В.Г. Компенсация смещения при оценивании по методу регуляризации // Оптимизация систем передачи информации по каналам связи : Сб. научн. трудов учебн. ин-тов связи // ЛЭИС. - Л., 1987. - С.18-23.

42. A.c. 1297240 (СССР). Устройство для оценки параметров канала связи / В.Г.Карташевский. - Опубл. в БИ N10, 1987.

43. Карташевский В.Г. Сравнение двух способов измерения характеристик канала связи // В сб. : Оптимизация,систем передачи информации по каналам связи. - Л. : ТУИС, 1986. - С.56-62.

44. А7с. 1207383~(СССР);'Устройстводля"приема двоичных сообщений в канале с межсимвольной интерференцией / Д.Д.Кловский,

Б.И.Николаев, В.Г.Карташевский и др. - Для служебн. пользов.

45. КарташевскиЯ В.Г., Покрасс А.Л. Модель и фильтрация сосредоточенной помехи на основе метода переменных состояния // Обработка информации в системах связи : Сборник научных трудов учебн. инст. связи. - Л. : Изд. ЛЭИС, 1984. - С.94-97.

46. Карташевский В.Г., Николаев Б.И. Прием дискретных сообщений в каналах с памятью при импульсных помехах // Теория передачи информации по каналам связи : Сборник научных трудов учебн. инст. связи. - Л. : Изд. ЛЭИС, 1984. - С.57-61.

47. A.c. 1092736 (СССР). Устройство для оценки параметров многолучевого канала связи / В.Г.Карташевский, Б.И.Николаев. -Опубл. в БИ N18, 1984.

48. Карташевский В.Г., Николаев Б.И. Модель импульсных помех в форме уравнений состояния //Радиотехнические системы и устройства : Сборник научных трудов учебн. инст. связи. - Л. : Изд. ЛЭИС, 1983. - С.51-55.

49. Карташевский В.Г., Николаев Б.И., Обухов A.A. Оценивание параметров стохастического многолучевого канала связи в адаптивном последовательном модеме // В сб. : Тезисы докл. Все-союзн. научн.-техн. конф. "Проблемы развития космической связи", Калуга, 1983.

50. Карташевский В.Г., Николаев Б.И. Прием дискретных сообщений в каналах с памятью при импульсных помехах // В сб. : Тезисы докл. XXXVII Всесоюзн. научн. сессии, посвящ. дню Радио, Москва, 1982.

51. A.c. 1042193 (СССР). Устройство для оценки параметров многолучевого канала связи / В.Г.Карташевский, Б.И.Николаев. Опубл, в БИ N43, 1983.

52. A.c. 896788 (СССР). Устройство для демодуляции двоичных сигналов / В.Г.Карташевский, Б.И.Николаев. - Опубл. в БИ N1, 1982.

53. A.c. 794763 (СССР). Устройство для демодуляции дискретных сигналов / В.Г.Карташевский, Б.И.Николаев. - Опубл. в БИ N1, 1981.

54. Карташевский В.Г., Николаев Б.И. Модель импульсных помех в каналах связи // В сб. : Тезисы докл. VIM Всесоюзн. конф. по теории кодир. и передачи инф., Москва-Куйбышев, 1981.

55. Карташевский В.Г., Николаев Б.И. Фильтрация коррелированной помехи в канале с частотно-временным рассеянием // В сб. : Тезисы докл. XXXV Всесоюзн научн. сессии, посвящ. дню Радио,

Москва, 1980.

56. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Николаев Б.И. 0 влиянии обратной связи по решению на помехоустойчивость последовательной системы обработки сигналов в каналах с память» // Радиотехника, 1980. - N9. - С.22-25.

57. Карташевский В.Г. Об оценивании параметров стохастического канала связи // В сб.: Системы и средства передачи инф. по каналам связи. - ТУИС. - 1980. - С.13-17.

58. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Николаев Б.И. 0 помехоустойчивости одного алгоритма обработки сигналов в каналах с межсимвольной интерференцией // ТУИС. - Сб. : Вычислительная техника в системах связи, 1979, с.74-81.

59. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Шатских С.Я. Оптимальная оценка системной характеристики пространственно-временного канала связи // В сб. : Тезисы докл. VII Всесоюзн. конф. по теории кодир. и передачи инф., Москва-Вильнюс, 1978.

60. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д. Оценка системной функции стохастического пространственно-временного канала связи // В сб. : Пространственно-временная обработка сигналов. - Изд. Воронежского ун-та, 1978. - С. 17-21.

61. Карташевский В.Г., Николаев Б.И. Результаты испытаний последовательного адаптивного КВ модема // В сб. : Тезисы докл. XXXII Всесоюзн. научн. сессии, посвящ. дню Радио, Москва, 1977.

62. Зайкин В.П., Карташевский В.Г. Сравнение двух методов обработки сигналов в каналах с межсимвольной интерференцией // ТУИС, 1976. - вып. 76, с.15-22.

63. Карташевский В.Г. Нелинейное оценивание неизвестного сигнала в аддитивном шуме // ТУИС, 1976, вып. 78, с.23-27.

Подписано в печать 2S.08.95 г. Формат 60x84 1/16. Объем 2,25 о. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2372. Печать офсетная. ПО "СамВен", г. Самара, ул. Венцеха, 60.