Моделирование и метрологическое обеспечение цифровой системы передачи информации по диспергирующим каналам связи

Лепихов, Юрий Николаевич

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Моделирование и метрологическое обеспечение цифровой системы передачи информации по диспергирующим каналам связи

кандидата технических наук: Лепихов, Юрий Николаевич
город: Ижевск
год: 2003
специальность ВАК РФ: 05.12.13

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Моделирование и метрологическое обеспечение цифровой системы передачи информации по диспергирующим каналам связи»

Автореферат диссертации по теме "Моделирование и метрологическое обеспечение цифровой системы передачи информации по диспергирующим каналам связи"

На правах рукописи

ЛЕПИХОВ Юрий Николаевич

УДК 621.396.2

I

МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ДИСПЕРГИРУЮЩИМ КАНАЛАМ СВЯЗИ

I

Специальности:

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникации

)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2003-

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете (ИжГТУ) и «Тула Телеком» - филиале ОАО «Центр Телеком»

Научный руководитель:

Заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Лялин В.Е. \

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Алексеев В. А. ; Заслуженный связист РФ, кандидат технических наук Фомичев С.М.

Ведущее предприятие: Центральный научно-исследовательский институт связи (г. Москва).

Защита состоится 31 октября 2003 г. в 16 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.065.04

в ИжГТУ по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, корп.1.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ. Автореферат разослан 15 сентября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

V п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Каналы декаметрового и метрового диапазонов (КВ и УКВ) отличаются нестабильностью параметров и широким диапазоном их изменения. Они характеризуются рассеянием энергии сигнала во времени и по частоте (диспергирующие каналы) и искажают исходные свойства сигналов, сформированных на передаче, в такой степени, что обычные методы приёма становятся неработоспособными. С развитием и широким внедрением подвижных средств связи аналогичные проблемы возникли и в дециметровом диапазоне волн. С точки зрения теории связи такие каналы оказались наиболее интересными и побудили многих исследователей к созданию общей теории таких каналов и разработке оптимальных методов преодоления рассеяния.

Несмотря на нестабильность параметров, пропускная способность таких каналов достаточно высока, и речь должна идти о том, чтобы на самом нижнем (физическом) уровне суметь эту пропускную способность реализовать в виде битового потока с заданной достоверностью.

Для преодоления искажений в диспергирующих каналах разработаны инвариантные к рассеянию и адаптивные методы передачи сообщений. Первые строятся так, чтобы приём сигналов оставался возможным в некотором достаточно широком диапазоне изменения параметров рассеяния, а неизбежное снижение качества передачи компенсировалось на более высоких уровнях взаимодействия. Вторые строятся так, чтобы при любом сочетании мгновенных значений параметров канала обеспечивались максимально возможные в этих условиях скорость и качество передачи. Тогда и средние показатели качества окажутся наивысшими. Речь, таким образом, идёт о том, чтобы связать физические (первичные) параметры радиоканала и наложенные ограничения, с одной стороны, с предельно достижимыми характеристиками битового потока, с другой стороны. Очевидно, что для аналитического решения такой задачи необходимо иметь адекватную математическую модель канала, подкреплённую физическими экспериментами на реальный радиолиниях, а для имитационного моделирования разработать соответствующую вычислительную модель, реализуемую на современной элементной базе. Сюда входит необходимость имитации многолучёвости, в том числе диффузной, т.е. такой, при которой каждый отдельный путь распространения не может быть идентифицирован по принимаемому сигналу. Каждый луч должен быть представлен тремя параметрами - модулем, фазовым сдвигом и задержкой по огибающей. Эти параметры изменяются во времени, причём модуль и фазовый сдвиг взаимно зависимы, а средние задержки в каждом луче относительно стабильны.

Наилучшее качество демодуляции сигнала в диспергирующем канале достигается при использовании процедуры максимально правдоподобного последовательного оценивания на основе непрерывного измерения мгновенных параметров канала и когерентной демодуляции на основе полученных оценок опорных сигналов. Качество передачи определяется при этом дистанционными свойствами принимаемого сигнала, то есть совокупностью евклидовых расстояний между всеми парами альтернативных сообщений, которые должен различать демодулятор, и свойствами помех. В свою одореда^яиавдтаяния зави-

сят от формы сигнально-кодовых конструкций и свойств канала. Необходимо исследовать, какие пары сигналов сохраняют различимость в рассеивающем канале. Для сохранения дистанционных свойств сигналов необходимо применять специальные меры.

Достаточные евклидовы расстояния между всеми парами возможных сигналов ещё не являются гарантией работоспособности приёмного устройства. Важно, чтобы приёмник мог идентифицировать эти сигналы, т.е. сопоставить им решения относительно переданных сообщений. В условиях полной априорной неопределённости относительно текущих параметров тракта распространения сигнала требуется постоянное обновление сведений об этих параметрах, хранящихся в приёмнике. Когерентный демодулятор может обеспечить наивысшую достоверность приёма, однако он же предъявляет наиболее жёсткие требования к точности этих сведений. Следовательно, должно быть исследовано влияние погрешностей оценки параметров канала на качество передачи сообщений, разработаны эффективные способы оценивания параметров канала. Для получения таких оценок приходится тратить часть пропускной способности канала. На практике получили наибольшее применение системы передачи с обучающими (тестовыми) вставками в информационный сигнал. Необходимо оценить потерю пропускной способности при наличии и отсутствии обучающих вставок в сигнале.

Объектом исследования являются многолучевые каналы с замираниями КВ и УКВ диапазонов; частотно-временное рассеяние и пропускная способность канала; характеристики битового потока; модуль, фазовый сдвиг и задержка по огибающей луча; евклидовые расстояния между парами альтернативных сообщений; когерентный демодулятор; формы сигнально-кодовых конструкций и свойств канала.

Предметом исследования являются инвариантные к рассеянию и адаптивные методы передачи сообщений; физическая модель радиоканала как линейная среда с частотным, временным и пространственным рассеянием сигнала; адекватная математическая модель канала; имитационное моделирование и вычислительная модель канала; эффективные способы оценивания параметров канала; информационная емкость и помехоустойчивость диспергирующего канала; вероятность ошибки на символ; переходная матрица состояний.

Цель работы - разработка научно обоснованных рекомендаций по созданию системы радиосвязи для КВ и УКВ диапазонов путем анализа физической модели и разработки имитатора диспергирующего радиоканала, а также создания алгоритмов оценивания импульсной характеристики канала связи, обеспечивающих возможность точного цифрового моделирования прохождения сигнала по каналу связи, что вносит вклад в развитие методов проектирования систем передачи, позволяющих увеличить вероятность правильного приёма кодового слова в несколько раз.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- провести анализ основных принципов цифровой связи через многолучевые каналы с замираниями на примерах каналов с релеевскими и райсовскими замирайиями;1

- на основе анализа физической модели диспергирующего радиоканала идентифицировать его имитационную модель, разработать функциональную схему имитатора канала с частотно-временным рассеянием; установить взаимосвязь параметров модели радиоканала и характеристик цифрового потока;

- дать оценку информационной емкости диспергирующего канала с шумом и потенциальной помехоустойчивости когерентного приема сигналов в диспергирующем канале;

- определить потенциальные возможности диспергирующих каналов по пропускной способности и разработать методику выбора сигнально-кодовых конструкций, реализующих эти возможности;

- оценить эффективность видов защитного кодирования, основанных на увеличении евклидова расстояния между кодовыми векторами, для применения их в дисперегирующем канале связи;

- минимизировать погрешность оценивания импульсной характеристики диспергирующего канала при когерентной демодуляции; установить влияние погрешности оценки на вероятность ошибки демодуляции по отношению к канальному шуму;

- исследовать разработанные алгоритмы, осуществить сравнение теоретических результатов, полученных количественных характеристик качества их функционирования путем проведения имитационного моделирования и эксперимента;

- провести имитационное моделирование цифровой системы передачи информации; исследовать устойчивость системы передачи к временному рассеянию в форме многолучёвости, частотному рассеянию в форме независимых релеевских замираний амплитуд и флуктуации фаз отдельных лучей распространения, а также к аддитивному белому гауссовскому шуму.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях системного и функционального анализа, теории вероятностей и случайных функций, а также теории статистической радиотехники и информатики. Для нахождения общего объёма переданной информации в дисперегирующем канале использован вариационный метод Лагранжа.

При проектировании имитатора радиоканала с частотно-временным рассеянием и аддитивными помехами и разработке алгоритмов оценивания импульсной характеристики канала связи использовались теоретические основы радиотехники, теория кодирования информации, основы вычислительной техники и методы линейной алгебры.

Экспериментальные исследования базировались на методах имитационного моделирования и вычислительного эксперимента с использованием процедуры максимально правдоподобного последовательного оценивания.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена сопоставлением разработанных математических моделей и синтезированных на их основе оптимальных алгоритмов оценивания цифровых сигналов и управления ресурсами с известными моделями и алгоритмами при

соответствующих допущениях, экспериментальной проверкой основных теоретических выводов и положений, а также внедрением результатов исследований в образцы новых средств связи.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных контрольно-диагностических средств точности обработки дискретных и цифровых сигналов, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами подсчета данных и хорошей воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся результаты исследований по созданию математических моделей и алгоритмов имитационного моделирования дисперегирую-щих радиоканалов и метрологическое обеспечение цифровой системы связи, в том числе:

- алгоритмы демодуляции сигналов в диспергирующих радиоканалах, основанные на адаптации к быстро меняющимся мгновенным свойствам канала и интерполяции их оценок;

- функциональная схема имитатора радиоканала с частотно-временным рассеянием и аддитивными помехами;

- статистические модели дисперегирующего канала, описывающие частотное рассеяние в каналах связи, содержащих большое число переизлучающих элементов;

- получение оценки сверху для пропускной способности канала с частотно-временным рассеянием;

- методики и алгоритмы оценивания импульсной характеристики канала связи;

- результаты исследования взаимосвязи между параметрами модели радиоканала и характеристиками дискретного канала, образованного на его основе с применением модуляции и кодирования;

- моделирование системы передачи в диспергирующем канале с использованием максимально правдоподобного последовательного оценивания;

- инструментальные средства обеспечения гибкости и универсальности аппаратуры передачи по отношению к широкому диапазону свойств каналов за счет введения в систему передачи информации ряда различных протоколов модуляции на физическом уровне.

Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых предложены рекомендаций по созданию системы радиосвязи для КВ и УКВ диапазонов, включающие определение предельных возможностей диспергирующих каналов, заданных физическими характеристиками рассеяния во времени и по частоте; обоснование выбора сигнальных конструкций, позволяющих реализовать скорость передачи, приближающуюся к пропускной способности канала, в ходе которых:

- получена формула для общего объёма переданной информации по каналу с частотным и временным рассеянием; решена задача синтеза эффективной системы передачи путем поиска оптимальной процедуры демодуляции (декодирования) и выбора структуры сигнала, оптимального для найденной процедуры демодуляции (декодирования);

- рассмотрена зависимость погрешности оценки потери достоверности от методики оценивания текущего состояния и статистических свойств канала; показано, что точность оценки критична к скорости замираний и аддитивным шумам;

- исследовано влияние частотного рассеяния на точность оценки импульсного отклика канала; показано, что среднеквадратическое отличие оценки от истинного значения численно равно выборочной дисперсии ряда отсчётов флуктуирующего сигнала и оценивается величиной, определяемой полученным аналитическим выражением;

- показано, что отдельные составляющие погрешности оценивания импульсного отклика канала оказывают разное влияние на помехоустойчивость различения сигналов, а интегральная оценка потери достоверности определяется эквивалентным шумом погрешности, добавляемым к канальному шуму; определено аналитическое выражение для верхней границы вероятности ошибки при когерентной демодуляции сигнала ФМ;

- сделан вывод о том, что рассеяние во времени в форме многолучевого распространения, приводящее к неравномерности модуля передаточной функции канала, во всех случаях приводит к ухудшению спектра расстояний в том смысле, что минимальные евклидовы расстояния, вносящие основной вклад в общую вероятность ошибки, сопровождаются большим хемминговым расстоянием;

- установлено, что моделирование системы передачи в диспергирующем канале с использованием максимально правдоподобного последовательного оценивания явно указывает на то, что при наличии надёжной текущей оценки мгновенных параметров канала добавление новых лучей распространения не снижает достоверности приёма, а в замирающих каналах даже увеличивает достоверность демодуляции за счёт эффекта разнесения по лучам;

- определено, что повышение позиционности модуляции снижает дистанционные свойства передаваемого сигнала и увеличивает вероятность ошибки; однако, поскольку пропускная способность диспергирующего канала в широких пределах изменяется во времени, наличие режимов с малой и высокой позиционностью сигнала позволяет осуществить манёвр, а в системах передачи с обратным каналом позволяет оптимизировать позиционность и обеспечить наивысшую среднюю скорость передачи информации по такому каналу.

Практическая ценность. Предложенные математические модели системы связи и алгоритмы оценивания качества канала связи позволили разработать научно обоснованные рекомендации для проектирования устройств приема-передачи цифровых сигналов с учетом структуры используемого кода, нестационарности канала связи и величины затрачиваемых ресурсов. Применение таких методов проектирования сокращает время на разработку, моделирование и корректировку принятых технических решений по результатам испытаний.

Доказано, что разработанные методы проектирования систем радиосвязи КВ и УКВ диапазонов позволяют увеличить вероятность правильного приёма кодового слова в три раза.

Разработана функциональная схема имитатора радиоканала с частотно-временным рассеянием, обеспечивающая возможность точного цифрового мо-

делирования прохождения сигнала по диспергирующему каналу, как в реальном времени, так и при машинном моделировании.

Созданы алгоритмы демодуляции сигналов в диспергирующих радиоканалах, основанные на адаптации к мгновенно меняющимся свойствам канала и интерполяции их оценок.

Показано, что в слабодиспергирующих каналах удаётся достичь практически точной оценки импульсной характеристики канала в момент приёма тестовой последовательности. Это означает, что погрешность оценки настолько мала, что её можно учесть соответствующим увеличением уровня шума в блоке решения, а сам блок решения можно строить в предположении точно известных неинформационных параметров сигнала.

Проведено детальное исследование потенциальной помехоустойчивости когерентного приема на основе анализа дистанционных свойств сигналов ФМ-2, ФМ-4 и ФМ-8, которые чаще других используются для передачи цифровой информации по диспергирующим каналам.

Реализация работы в производственных условиях. Диссертационная работа основана на результатах научно-технических и организационно-методических работ, выполняемых в соответствии с планами НИОКР министерства связи РФ на основании «Основных положений развития Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации на перспективу до 2005 года», утвержденных Решением ГКЭС России от 20.12.1995 № 140, и приказов министерства связи РФ и министерства образования РФ.

Результаты работы использованы в радиостанции «Радий М», производимой на ОАО «Ижевский радиозавод» с 2000 года по настоящее время. В частности использованы: алгоритмы демодуляции сигналов в диспергирующем радиоканале, основанные на адаптации к мгновенно меняющимся характеристикам канала, имитатор радиоканала и результаты моделирования системы передачи в диспергирующем канале для определения параметров адаптивного алгоритма обработки сигналов. Использование результатов диссертационной работы позволило существенно улучшить технические характеристики выпускаемых предприятием радиостанций и повысить потребительские их качества.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на: Международном Самарском симпозиуме телекоммуникаций (Самара, 1993-2003); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1997); Международной конференции: Intemation Conference «Intelligent Networks Services and Standards" 1999; 54-й научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1999); Третьей международной научно-технической конференции «Электроника и информатика» (Москва, 2000); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2000); Научно-технических конференциях ИжГТУ (2000, 2001); Научно-технических конференциях Тульского государственного технического университета (2000-2003).

Публикации. Результаты работы отражены в 14 научных трудах: 2 статьях в центральной печати, 2 статьях в научных журналах, 1 депонированной

рукописи (объемом 47с.), 5 публикациях в трудах международных и российских конференций и 4 тезисах докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 140 с. машинописного текста. В работу включены 36 рис., 10 табл., список литературы из 103 наименований и приложение, в котором представлен акт об использовании результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ основных понятий и принципов цифровой связи через многолучевые каналы с замираниями. Проведен обзор характеристик многолучевых каналов с замираниями, выполнен анализ таких понятий, как канал с релеевскими замираниями и канал с райсовскими замираниями, од-нолучевой и многолучевой модели канала связи. Рассмотрены некоторые используемые корреляционные функции и спектральные плотности мощности, которые определяют характеристики многолучевого канала с замираниями. Указаны отличительные особенности частотно селективного и неселективного каналов. Рассмотрено влияние характеристик сигнала на выбор модели канала. Изучены преимущества, получаемые от кодирования сигналов, дан анализ канального кодирования и декодирования мягких решений.

Во второй главе проведены исследования информационной емкости и помехоустойчивости диспергирующего канала связи. На основе анализа физической модели диспергирующего радиоканала разработана его имитационная модель. Проведена оценка информационной емкости диспергирующего канала с шумом и потенциальной помехоустойчивости когерентного приема сигналов в диспергирующем канале.

В работе рассмотрена физическая модель радиоканала, определяемая как линейная среда с частотным, временным и пространственным рассеянием сигнала, на которую наложены случайные аддитивные и мультипликативные возмущения. Каналы связи с рассеянием во времени имеют лучевую структуру (дискретная многолучёвость), при которой импульсная характеристика канала связи ¿(г,(отклик канала на единичный импульс -Г + £), подаваемый на

вход канала в момент времени = ? - £) может быть представлена суммой кол

нечного числа независимых слагаемых: = (1)

/.1

где у, - передаточная функция канала по /-му лучу (/ = 1,2,...,/,); т, - время распространения сигнала в 1-й луче.

Принимая во внимание, что рассеяние по частоте редко имеет дискретную структуру, системная функция С(/, v) обычно непрерывно заполняет область частот [-/гр,/гр] и характеризует доплеровское рассеяние, физический смысл которого состоит в том, что запаздывание радиосигнала по различным путям распространения с течением времени изменяется с разной скоростью. Это, в частности, означает, что в каждом слагаемом (1) в спектре у, (г) имеются

чётко очерченные границы /^¡^ и /д/т!п. Подходящей моделью для 6(/,у)

становится выражение

6(/,v) = //др,,ч/1-[(/-/до.,)//др,,]2}, (2)

где /др,/ =(Л/ш»х -/д/шш)/2. /до,/ =(/д/шак + /д/т,п)/2> причём ввличины /д,гаах и /д, mln могут иметь разные знаки.

Идентификация модели канала важна не только для синтеза оптимальной системы связи, но и для разработки программной (имитационной) модели, адекватно отображающей свойства реального тракта передачи. Для этого в работе предложена функциональная схема имитатора, переносимая на любую вычислительную платформу.

Основу имитатора составляет линия задержки, по которой перемещается поток комплексных отсчётов входного сигнала. Количество отводов определяется отношением времени рассеяния та и интервала дискретизации Дt. Веса в

отводах Yi(kAt) формируются фильтрами Ф/, обеспечивающими необходимый спектр замираний и возбуждаемыми генераторами случайных чисел ГСЧ,. С двигатели частоты Д/5 работают по рекуррентному алгоритму v, (kAt) = х, (kAt)efi*J, 8к) - ; + 2nA/iAi]mod2lt, обеспечивающему общий частотный сдвиг потока цифровых отсчётов на величину bft = fa0 l без накопления фазы. В-результате совместного преобразования фильтрами Ф/ и сдвига-телями частоты А/î формируется y,(kàt) со спектром (2).

Частотное и временное рассеяние приводит к перераспределению энергии сигнала по полю «время-частота». Если имеет место только рассеяние во времени, обусловленное многолучёвостью, то передаточная функция канала #(/) становится неравномерной. Если при этом в канале действует белый шум с равномерной спектральной плотностью мощности (СПМ) N0 (В2/Гц), то в узлах I H(f) I помехозащищённость падает, а в пучностях - увеличивается. Если необходимо добиться максимума скорости передачи информации по такому каналу, то следует перераспределить общую мощность передатчика Р, то есть обеспечить спектральную плотность мощности в пределах полосы канала W, равную P{f) = kx-Nal\ H(f) |2, / eW, где коэффициент кх имеет размерность (В2/Гц). Если в канале действует окрашенный гауссовский шум (сосредоточенная по спектру помеха \{t) с СПМ Gç(/)), то оптимальное распределение мощности P(f) = Arj — Gp(/)/ [ H(f) |2. Этот известный результат можно перенести на

случай, когда в канале имеет место только рассеяние по частоте («гладкие» замирания). При этом ресурс энергии передатчика Е должен быть распределён во времени аналогичным образом: P{f) = к2- N0F / j #(/) f. Теперь P(f), кг и N0F измеряются в (В2), Т- общее время, отведённое для передачи сообщения при заданной затраченной энергии Е\ к\ и к2 определяются из условий нормировки, соответственно по величинам F и Я.

Обобщая задачу на случай канала с частотным и временным рассеянием, и используя вариационный метод Лагранжа, находим общий объём переданной информации как

I = \C\t)dt = J Jlotfl + P{f,t) I Я(/,0|2 'G(f,t)]dfdt,

T TW

a E = ^P{f,t)dfdt, где С' - пропускная способность канала. Тогда макси-

тиг

мум / при фиксированном Е находим из вариационного уравнения ([ + ХЕ)'р-= О, где X - неопределенный множитель Лагранжа. Получаем, что

P(f,t) = K0-G(f,t)/\H(f,t)\2. (3)

Величина К0=-MX выбирается так, чтобы \\[K0-G(f,t)l\H(J,t)f\ifdt=E

TW

причем отрицательные значения Р(/,0 из (3) заменяются нулем.

Эквивалентная пропускная способность такого канала

с: = ^ = ijlog2[l + F(/,i>|//(/,0|2 /GifJWdt, (бит/с). (4)

W

Формула (4) является приближённой, так как произведение приращений Af At должно иметь порядок единицы, а при замене приращений дифференциалами это произведение стремится к нулю. Её можно считать оценкой сверху для пропускной способности канала с частотно-временным рассеянием С'¿С..

Главным недостатком найденной меры является то, что распределения H(f,t) и G{f,t) являются случайными функциями /и t, а в (4) входят их конкретные реализации. Для отслеживания этих функций необходимо иметь оперативный канал обратной связи и сложную систему оценивания H(f,t) и G(/,<) на приёмной стороне.

Поэтому на практике следует применять адаптивные системы передачи, не достигающие предельной величины С', но выбирающие оптимальный режим связиуиз ряда фиксированных режимов. Каждый из этих режимов должен быть оптимальным для некоторого типичного подмножества ситуаций в канале, имеющего конечную вероятность появления. Передача дискретных сообщений по диспергирующим каналам связи осуществляется путем совершенствования структуры используемых сигналов и методов их обработки, наиболее полно использующих частотный и энергетический ресурсы. Общая задача синтеза эффективной системы передачи решается в 2 этапа: поиск оптимальной процедуры демодуляции (а при необходимости, декодирования); выбор структуры сигнала, оптимальной для найденной процедуры демодуляции (декодирования).

Процедура демодуляции включает в себя синхронизацию, оценивание импульсной характеристики и различение гипотез относительно переданного сообщения. Показано, что в слабодиспергирующих каналах удаётся достичь практически точной оценки импульсной характеристики канала в момент приёма тестовой последовательности. Это означает, что погрешность оценки настолько мала, что её можно учесть соответствующим увеличением уровня

шума в блоке решения, а сам блок решения можно строить в предположении точно известных неинформационных параметров сигнала.

Потенциальная помехоустойчивость такой процедуры демодуляции может быть определена на основе исследования дистанционных свойств множества принимаемых сигналов. Рассматривая пары альтернативных сигналов на приёме ит(t) = u(t,Bm) и uk(t) = u(t,Bk) (Вп и Вк - альтернативные сообщения) как векторы um и ut, можно найти вероятность ошибочного перехода Р(Вт | Вк) (в отсутствие других альтернатив) как функцию расстояния между

PiBJB^PjB.lB^Qjd^/l), где ¿ь, HI и» \\=т]Ет +Ек -2jEmEk Re(pbJ; Ет и Ек - энергии принимаемых сигналов м„,(0 и uk(t)\ ркт = ЕткЦЕтЕк; Е^ = \um{t)uk{t)dt = (ит,ик) -их взаимная энергия.

При наличии других альтернатив Р(Вт \Вк)< Q(dknl /2), и условная вероятность ошибки оценивается аддитивной верхней границей:

Р(ош \Вк)= Z.P(BJBk)< 10(^/2). (5)

т,т*к т,т*к

Расстояния dkm имеют весьма широкий диапазон значений, а функция О быстро убывает с ростом аргумента. Так, при Q(d/2) = \ О"3 увеличение d в раз (на 3 дБ) уменьшает Q в 180 раз, а при <2(с//2) = 10^ - в 1100 раз. Практически в сумме (5) достаточно удержать максимальные слагаемые, соответствующие нескольким минимальным значениям d^, различающимся не более

чем на 3 дБ. Тогда Р(от\Вк)< Y,Q{dJ2)> Z^K/2)>

Л! 1

а />(ош)*2>(Я*)Хб(<у2). (6)

t j

где dkJ - выборка первых чисел из вариационного ряда {dLm j, выстроенного по возрастанию.

Вероятность ошибки на бит может быть получена одним из двух способов. Если евклидовы расстояния dk] и соответствующие хемминговы расстояния d^ -dK(BklBm) независимы, то после нахождения Р(ош) делается пересчёт: Рь = Р(ош)2,у~' /(2м - 1),где N - число бит, заключённых в сообщении Вк.

В противном случае: Рь * ^ТПЮТ^ 'Q(dk,/2)- (7)

N I j

Из (6) и (7) следует, что для минимизации Рь необходимо максимизировать dkJ, а в вариационном ряду должны оставаться dlm, соответствующие минимальным d^.

В работе рассмотрены причины, приводящие к снижению dч и потере помехоустойчивости, а также методы их преодоления. Показано, что основной

причиной ухудшения дистанционных свойств является наложение пучностей спектральной плотности разностных сигналов на узлы передаточной функции диспергирующего канала.

Исследована эффективность применения решетчатых кодов в диспергирующих каналах. Для недиспергирующих каналов с точки зрения (7) при этом обеспечивается оптимальное соотношение и {йц}. Классическим примером решетчато-кодовой модуляции является совмещение сверточ-ного кодирования со скоростью Л = 1/2 и фазовой модуляции ФМ-8 (рис. 1).

Два входных бита в кодере преобразуются в три бита Сь Сг, сз каждой комбинации которых соответствует определенная позиция сигнала ФМ-8.

Входг

г

(с,, с2, с5) = ООО

' -О с2 Некодиро-ванный бит 3

6 = 10

с = 01

(/=11

б)

Рис. 1. Решетчатый код в сочетании с модуляцией ФМ-8: а) кодер, б) решетка с 4 состояниями; в) отображение кодированных бит (С|, с2, Сз) в сигнальные точки

Поскольку кодовое ограничение V = 2, кодер имеет 4 состояния. Из каждого состояния ведут 2 перехода, в каждом из которых 2 параллельных пути. Параллельные пути различаются некодированным битом съ =1), а в сигнальном

созвездии они максимально удалены друг от друга (г/е =2л[Ё). Альтернативные траектории по решетке (например, 00-10-01-00 и 00-00-00-00) различаются еще большим евклидовым расстоянием =2,1414Ё. Эти величины с!е соответствуют обычной ФМ-2 при тех же затратах мощности и полосы частот, но обеспечивают скорость передачи вдвое большую. Можно также сравнить полученные с/е с евклидовыми расстояниями некодированной ФМ-4 (рис. 2). Видно, что при ФМ-

4 ¿етш = т.е. меньше,

чем при кодированной ФМ-8. Эти очевидные достоинства

10

!<Ё V

оо1 <Ё 1

01

Пара точек (к Л

11-01 1 л/2£

11-00 2 2 -Л

11 - 10 1 ЛЕ

10-00 1 л/2Я

10-01 2 2 -Ш

00-01 1 л/2Е

Рис. 2. ФМ-4 без кодирования и соответствующие хемминговы и евклидовы расстояния

(выигрыш по скорости передачи или энергетический выигрыш) кодированной ФМ-8 теряются при их использовании в канале с рассеянием во времени. Таким образом, для диспергирующих каналов эффективность решётчатых кодов снижается, так как перераспределение мощности разностных сигналов по спектру поглощает выигрыш от кодирования. В работе рассмотрены возможности других кодов, обладающих лучшими спектральными характеристиками.

и

В третьей главе разработаны алгоритмы оценивания импульсной характеристики канала связи. Разработан критерий минимизации погрешности оценивания импульсной характеристики диспергирующего канала. Разработаны методики оценивания импульсной характеристики канала связи. Проанализирована взаимосвязь параметров модели радиоканала и характеристик цифрового потока.

Когерентная демодуляция базируется на оценивании импульсного отклика канала. Дистанционные свойства ансамбля ожидаемых сигналов на приеме дают представление о потенциальной помехоустойчивости демодулятора. Предполагается, что этот ансамбль на приемной стороне известен точно, и задача демодулятора состоит в том, чтобы определить, какой из ожидаемых сигналов наиболее близок к канальному сигналу 2(7).

В работе учтено влияние погрешности оценки импульсного отклика канала на помехоустойчивость приема. Общий смысл этого влияния состоит в том, что погрешность оценки £(/) эквивалентна добавлению шума в принимаемый сигнал, причем дисперсия добавочного шума увеличивается пропорционально величине взаимного перекрытия сигналов во времени, то есть величине относительной памяти канала. Отсюда следует, что для сохранения помехоустойчивости отношение сигнал-шум в тракте измерения должно быть существенно больше, чем в тракте приема. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Пусть, как и при выводе (5), рассматривается пара альтернативных символов ит(I) и ик(() и исследуется вероятность ошибочного перехода

Рфт\Вк). При точной оценке = и ",„(0 = «„,(0 пространственная диаграмма, соответствующая этому случаю, приведена на рис. 3.

Исходные векторы, соответствующие точным значениям ожидаемых сигналов ик(() и ит(*), обозначены и ит. Им соответствует гиперплоскость Н раздела областей решения и евклидово расстояние = "»11-

Если оценка £(?) имеет погрешность е(0 = 8(0 ~ §(0 > т0 и "„,(0 будет иметь погрешность е„,(г) = йт (?) - ит (г), что соответствует новым векторам й* и йш и соответствующей гиперплоскости #'. Чтобы определить новое значение вероятности ошибочного перехода, необходимо вычислить новое расстояние с1'ы и новое значение - дисперсию проекции суммарного шума п' на линию сигналов й^ - й„,.

На рис. 3 канальный шум обозначен п, а принимаемый сигнал ъ = и^ + п. Ошибка оценки е4 обусловлена шумами, действующими во время передачи тест-сигнала, а шум п действует во время передачи информационного сигнала. Следовательно, е;. и п не коррелированны, и £>(п') = 0(е,.) + Л(п).

Рис. 3. Пространственная диаграмма когерентной демодуляции

Таким образом, по сравнению со случаем точной оценки g(t) при наличии погрешности следует учесть два обстоятельства: изменение и увеличение дисперсии шума. Теперь для определения вероятности ошибочного перехода Р(Вт | Вк) необходимо усреднить ()(сГкт/2) в (7) по ¿'кт при новом значении

дисперсии шума: Р(Вт | Вк) = \0(с11,/г^М^)«,)-

(8)

Поскольку (¡'ы определяется как норма разностного вектора - йт, то

-е„ = иЛ

то есть распределение вероятностей

и'(^) равно распределению вероятностей нормы вектора, имеющего регулярное и случайное слагаемые. Интегралы вида (8) обычно решаются с использованием интегрального представления функции 0(х):

<2(х) = 1ехр(-Г2 /2)сЛ = — Техр[—(1 + Г2)*2 /2]/(1 + 12)Л.

■42% к

В двумерном случае распределение ^{с1'кт) подчиняется райсовскому закону, и

1 СЯОО 1

Рфт\вк)^\\—гехр

п001+/

С 1 . ,2 ,/|2 \ * + ' «Ь»

2 4ЛГ

¿к N

, ехР| -

кт

км

2 Ы'

\ г г .. . \ актакт

'о 1 ;

- 1 П ехп(-(Ш2К+4<+40

И'

После преобразований, аналогичных, для ФМ-2 получаем Р(Вт\Вк)*е-'\дг+И2)/4И2, где И2 - отношение сигнал-канальный шум; ц2 - отношение сигнал-эквивалентный шум погрешности.

Интегральная оценка потери достоверности определяется эквивалентным шумом погрешности, добавляемым к канальному шуму. Верхняя граница вероятности ошибки при когерентной демодуляции сигнала ФМ дается выражением

Р(ош | Вк)й е'™10?2 + И2)/4А2, А2 = 1.

Таблица I

Вероятность ошибки на бит Ръ в зависимости от ошибки оценивания и от канального

Та й2=10 ^=5 <Г=20 ¡/=30 (/=40 <7^=50

3 Г 0,0883 0,0361 0,2088 0,1294 0,0529 0,0208 0,0074 0,0027

АТ 0,0872 0,0358 0,2373 0,1532 0,0816 0,0433 0,0228 0,0121

5 Г 0,0871 0,0358 0,2570 0,1756 0,1006 0,0645 0,0392 0,0253

Влияние погрешности оценивания импульсной характеристики на вероятность ошибочной демодуляции было исследовано с помощью компьютерного моделирования. Сравнивалось влияние шума в тракте приема с влиянием погрешности в тракте оценивания импульсной характеристики. Демодуляция производится по алгоритму максимально правдоподобного последовательного

оценивания с фиксированной задержкой решения. Дополнительная цель исследования заключалась в том, чтобы учесть влияние увеличения времени анализа (и, следовательно, задержки решения) на качество демодуляции. Результаты моделирования сведены в табл. 1.

Рассмотрим несколько методик оценивания импульсной характеристики, нашедших применение на практике. Для всех них характерна периодическая передача тестовых вставок, обладающих почти равномерным частотным спектром и соответственно узкой во времени корреляционной функцией, позволяющей получить необходимое разрешение во времени деталей импульсной характеристики.

¡.Тестовая последовательность, представляющая собой одиночный элемент сигнала, отделенный с обеих сторон временными паузами (рис. 4).

Принимаемый сигнал (рис. 4.6) отличается от переданного временным рассеянием и аддитивным шумом. Импульсный отклик канала g(t) в демодуляторе отделяется от информационного сигнала и записывается в Рис. 4. Простейшая тестовая последова- память для дальнейшего использова-тельность: д/]>щ - защитный временной про- ния в целях формирования ожидае-межуток мых сигналов. Таким образом, в этом

случае оценка £(/) отличается от истинного значения g(t) канальным шумом и(0 и, следовательно, у2 = И2.

2. Тестовая последовательность, представляющая собой свертку одиночного элемента сигнала 50(/) и двоичной последовательности с игольчатой формой автокорреляционной функции (например, последовательности Баркера «(/))■

3. Пассивные защитные интервалы времени можно заменить активными и заполнить символами коррекции, которые устраняют боковые лепестки отклика согласованного фильтра (СФ), находящиеся в непосредственной близости от максимума. Проиллюстрируем это на конкретном примере одной из последовательностей, применяемых в качестве тестовой в подвижной связи:

а(0 = {+- + + + |----+ -- + -+ + + -+++|----+}

(всего 26 элементов).

16' ....1. Т -----.1. № , а .....• » - Л?._ 5

- - • -тот * 1 1 1* Г* г Г

Рис. 5. Отклик согласованного фильтра на последовательность а(1)

| .......

> ш Г; АлЛ

Если фильтр согласован с центральной частью, содержащей 16 элементов, то отклик фильтра на всю последовательность содержит 41 элемент. Непосредственной подстановкой находим этот отклик (рис. 5):

{+1,0,+1,0,+5,0,-1,-4,+3,-2,-1,-2,-7,-2,+1,0,0,0,0,0,+16,0,0,0,0,0, +1,-2,-7,-4,-1,+2,-3,0,-1,0,+5,+2,+1,0,-1}.

Видно, что около главного максимума в обе стороны располагаются нули. Следовательно, если временное рассеяние Ь не превышает 5 тактовых интервалов, то к началу импульсного отклика канала закончится последействие от всех предыдущих элементов, а сам импульсный отклик, усиленный в 16 раз, будет получен без межсимвольных искажений. Отношение сигнал-шум на выходе СФ в 16 раз больше, чем на входе.

Поиск последовательностей, обладающих указанным свойством, представляет самостоятельную задачу, решаемую методами последовательного перебора с применением вычислительной техники. Имеется информация о существовании большого числа таких последовательностей, для которых количество нулей в окрестности максимума на выходе СФ достигает 10 и более.

4. Наличие пассивных защитных интервалов или активных, заполненных специальными символами коррекции, не является обязательным условием получения асимптотически точной оценки импульсной характеристики. Необходимым является условие детерминированности информационного содержания данных, используемых для целей оценивания, и линейной независимости связывающих их выражений. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Рассмотренные методы оценивания импульсной характеристики канала эффективны в предположении, что отсутствует частотное рассеяние, то есть импульсная характеристика не изменяется на протяжении тестовой последовательности, содержащей N элементов. Практически получается усредненное значение импульсной характеристики, которое может полностью не совпадать ни с одной из реальных форм импульсной характеристики. Для оценки погрешности, обусловленной частотным рассеянием, выделим из один отсчет по переменной £ С(/) и рассмотрим его эволюцию во времени /: гк = кМ, йк = С((к) = 0(кА(). Погрешность определим как разность истинного значения й и усредненного по N следующими подряд реализациям, а мерой погрешности будем считать дисперсию этой разности (выборочную дисперсию):

2 N12 | N12 } -*+ЛГ/2

1Кв)шв,{о)-- I 1*,<0 •

" ¡=-N12 N к=-И12\Ы-к^12 ) где ВХ(Г) - корреляционная функция отчета импульсной характеристики, ¡=\к-1\. Неточность полученной формулы определяется отличием выборочной дисперсии от теоретической и снижается с ростом N.

При ВДт) = 5,(0)е^,т.е. Ве(,) = В^д1, где ¡7 = е"аГ, О(О)« 5г(0)(1 -с/^)/^, а относительная погрешность 5г = ЩС) / В Л 0) »(1 - д")/д» = д'и -1.

В четвертой главе изложены результаты имитационного моделирования цифровой системы передачи информации.

Структурная схема системы передачи, положенная в основу компьютерной модели, приведена на рис. 6. В задачу мо-

м ИК ДМ ДК ПВО

I' к Сч

т г

делирования входило исследование ус- ' ' тойчивости систе- Рис' 6 СтРУктУРная схема системы передачи: Г - генератор двоичной случайной (псевдослучайной) последовательности; К - кодер мы передачи к вре- ррея и формирователь трибитов, М - модулятор; ИК - имитатор менному рассеянию канала; ДМ - демодулятор; ДК - декодер Грея и формирователь в форме многолучё- двоичного потока; ПВО - программа выявления ошибок; Сч -вости, частотному счётчик ошибок

рассеянию в форме независимых релеевских замираний амплитуд и флуктуации фаз отдельных лучей распространения, а также к аддитивному белому га-уссовскому шуму.

. Совокупность заданных средних параметров канала, позиционность модуляции и уровень шума образуют режим, в котором производятся статистические испытания. Число бит, которое необходимо передать для репрезентативности полученной выборки, зависит от соотношения скорости замираний и битовой скорости передачи, а также от уровня вероятности ошибки, на котором производится исследование. Признаком репрезентативности может служить статистическая устойчивость получаемой частости ошибок на бит (Д) при неоднократном повторении испытаний, но с обновлением инициализации генератора случайных чисел.

В канале с замираниями величина энергии отклика канала на единичный сигнальный элемент Е' является переменной, поэтому аргументом зависимости

должно быть среднее отношение сигнал шум А2 = Я'/А/0, где - спектральная плотность мощности аддитивного белого гауссовского шума на положительных частотах.

Величина А2 или А2 устанавливается в качестве параметра, а затем контролируется в процессе моделирования. Совпадение выборочного значения А2 с заданным является дополнительным (контрольным) признаком репрезентативности выборки. Испытания проводились в следующих режимах:

1. Однолучевой канал без замираний (ФМ-2) - контрольный режим, позволяющий убедиться в работоспособности всего программного комплекса. Экспериментальные точки должны ложиться на кривую Котельникова Рь =

^(Лгл1).

2. Однолучевой канал без замираний (ФМ-8) - режим, дающий возможность проверить снижение помехоустойчивости при увеличении позиционности модуляции. Увеличение скорости передачи в 3 раза (1ой8=3) сопровождается неизбежным энергетическим проигрышем. Переход от ФМ-2 к ФМ-8 должен привести к смещению зависимости РъО?) в сторону большего значения Л2 (в 4/0,585=6,8 раз, т.е. на 8,4 дБ) и затем меньшего значения Рь (а 3/2=1,5 раза).

3. Однолучевой замирающий канал (ФМ-2) - контрольный режим, который необходим для проверки механизма замираний в имитаторе канала и выбора минимально необходимого объёма выборки для обеспечения её представи-

«1/4А2 (й*»1).

тельности. Ожидаемая зависимость Рь(А2) = -■/Н1 /(1 -И2)

4. Двухлучевой канал с независимыми релеевскими замираниями в каждом луче (ФМ-2). Соотношение средних уровней сигнала в лучах 1:1. Моделирование производится в 2 этапа. Сначала формируется изменяющийся во времени импульсный отклик канала, и массив его реализаций помещается в специальный файл. Одновременно формируется массив принимаемого двухлучевого сигнала (без шума) и помещается в другой файл. На втором этапе к сигналу прибавляется шум с заданным уровнем и производится его демодуляция с использованием файла реализаций импульсного отклика канала. Такой порядок позволяет обойти операцию оценивания импульсного отклика канала и считать, что в каждый момент времени импульсный отклик канала известен точно. Второй этап может быть повторен многократно с заданием каждый раз различного уровня шума. Это позволяет избежать повторения операций формирования передаваемого сигнала и прохождения его по каналу.

5. То же, что в п. 4, но для сигнала ФМ-8. кап

г

с V

к }

а)

Ц у

( Л'

Л )

-1 -Л

1 г

[

V Т

-Л

Рис. 7. Базовый Рис. 3. Весовые коэффициенты для формирования аль-

элемент сигнала тернативных сигналов при ФМ-2 (я), ФМ-4 (6) и ФМ-8 (в)

Результаты статистических испытаний в пп. 4 и 5 трудно предсказать теоретически. Их достоверность базируется на совпадении расчёта и эксперимента в 1...3 режимах. На рис. 7 приведена форма базового элемента сигнала 50 (г), из которого формируется сигнал ФМ-2 и ФМ-8 на передаче. Форма базового элемента сигнала с единичной энергией а0 =0,91287; о, =0,27386; а2 =-0,09129. Энергия базового элемента: Е = а* + 2а,2 + 2а\ -1. В модели фигурируют 9 отсчётов базового сигнала л0(и)={0, а2, 0, я,, а0, а,, 0, а2, 0}. При ФМ-2 имеются 2 вещественные альтернативы сигнала (рис. 8.а):

При ФМ-8 имеются 8 комплексных альтернативных сигналов (рис. 8.в): 0: 4°>(л) = *0(л), $(л) = 0; 1: $ (я) = Ь ■ за (л) (¿ = ^/2);

2: (л) = 0, $ (л) = 50 (и); 3: $ (л) = -Ь • (и), $ (я) Ь • (я); 4: $ (я) = (л), $ (я) = 0; 5: $ (я) = -Ь • л0 (л), $ (л) = -Ь-*й (я);

6: $(и) = 0, 4» = -*0(я);7: ^{п) = Ь,ф), $(п) = -Ь-ф)

).9128|Г

-0.9128

1.000

—..(—

Н-Ш1

"Т

------!■■■■

Квадратурная компонетаХ 350

-1.000

I

!

Квадратурная компонета К Рис 9. Ряд образцов импульсного отклика однолучевого незамирающего канала

димых режимов испытаний. Режим устанавливается с помощью текстовой записи в специальном файле параметров канала. Параметры тх, ту, о*, в общем случае позволяют установить любую статистику в рамках общей гауссовской модели.

На рис. 9 показан фрагмент записи, произведённой программой моделирования канала в файл мгновенных параметров канала, т.е. массив импульсных откликов канала на сигнал .у0(л), прочитанный с помощью программы просмотра. Видно, что импульсный отклик канала постоянен, т.е. замирания отсутствуют.

На рис. 10 показана снятая экспериментально кривая Котель-никова, т.е. зависимость Рь(А2) в однолучевом незамирающем канале. Хорошее сов падение частости

1 2 3 4 Л2,дБ Рис. 10. Контрольный эксперимент по проверке статистической модели: канал гауссовский, однолучевой без замираний; число переданных бит N=1 000 000; модуляция ФМ-2; ■ - экспериментальные точки

Модель канала построена в соответствии с разработанной в главе 2 структурной схемой и обеспечивает возможность получения всех необхо-

"БК!

Рис. П. Устройство демодуляции с последовательным анализом

ошибок с вероятностью подтверждает адекватность компьютерной модели и достаточность выборки.

Демодулятор многолучевого замирающего сигнала реализует решающее правило максимально правдоподобного последовательного оценивания с обратной связью по решению с ограниченной задержкой и ограниченным интервалом анализа. Его можно рассмотреть по схеме рис. 11, раскрывающей алгоритмическую суть этого решающего правила. Демодуляция включает в себя

Таблица 2

Однолучевой незамиракнций канал

А2 т 1 3 5 10 20 30 50

Рь 2 0,079 0,0069 0,56-10'3 - - - •

8 - - - 0,0288 0,0048 0,84'10"3 0,24-10"4

Однолучевой канал с релеевскими замираниями

А2 т 100 1000 10000 20000

Рь 2 0,00256 0,000238 0,25-10"4 0,14'10"

8 - 0,123-Ю"1 - -

Двухлучевой канал с релеевскими замираниями

А2 т 50 100 200 500 1000 3162 10000

Рь 2 0,0074 0,00018 0,49-10" 0,4-10° 0,2-10"' - -

8 - 0,0204 - - 0,00082 0,00022 0,63-10"

Трёхлучевой канал с релеевскими замираниями

А2 т 50 100 200 500 1000

Рь 2 0.00045 0,93-10" 0,25-10" 0,4-10° -

-0.9128.....

Квадратурная компоиетаЛ" 350

Ш-

Щ (РЧ "П ....... ! ! ! : : 1 I 1 I да > 1 ТГ"

Квадратурная компонета У

Рис. 12. Ряд образцов импульсного отклика двухлучевого канала с релеевскими замираниями

10 15 20 25 30 35" М.дБ Рис. 13. Зависимость вероятности ошибки на бит для 8-позиционной системы (ФМ-8) в одно- и двухлучевом замирающем канале (релеевские замирания): 1 - экспериментальная кривая для однолучевого канала (ФМ-8); 2 - экспериментальная кривая для двухлучевого канала (ФМ-8); 3 - экспериментальная кривая для однолучевого канала (ФМ-2); 4 - экспериментальная кривая для двухлучевого канала (ФМ-2)

следующие операции: измерение импульсной характеристики канала связи; формирование опорных сигналов по измеренной импульсной характеристике, соответствующих комбинациям элементов сообщения {а*}; вычитание сигналов межсимвольной интерференции от предшествовавших посылок (обратная связь по решению); сравнение разностного сигнала с вариантами ожидаемого (опорного) сигнала, соответствующими всевозможным комбинациям {ак} на интервале рассеяния; регистрацию той комбинации, которой соответствует ожидаемый сигнал, ближайший к разностному; принятие окончательного решения только о первой посылке зарегистрированной комбинации.

Результаты моделирования сведены в табл. 2. По аналогии с рис. 9 на рис. 12 приведен фрагмент записи импульсного отклика двухлучевого канала с релеевскими замираниями лучей. На этом фрагменте видна эволюция импульсного отклика канала, независимЬсть замираний лучей, постоянство формы каждой компоненты отклика, постоянство взаимного запаздывания между лучами. Графические результаты для этого режима приведены на рис. 13.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены и научно обоснованы рекомендации по созданию системы радиосвязи для КБ и УКВ диапазонов путем анализа физической модели и разработки имитатора диспергирующего радиоканала, а также создания алгоритмов оценивания импульсной характеристики канала связи, обеспечивающих возможность точного цифрового моделирования прохождения сигнала по каналу связи, что вносит вклад в развитие методов проектирования систем передачи, позволяющих увеличить вероятность правильного приёма кодового слова в несколько раз.

1. На основе анализа физической модели радиоканала разработана функциональная схема имитатора радиоканала с частотно-временным рассеянием и аддитивными помехами, обеспечивающая возможность точного цифрового моделирования прохождения сигнала по диспергирующему каналу, как в реальном времени, так и при машинном моделировании.

2. Получена формула для общего объёма переданной информации по каналу с частотным и временным рассеянием; решена задача синтеза эффективной системы передачи путем поиска оптимальной процедуры демодуляции (и декодирования) и выбора структуры сигнала, оптимального для найденной процедуры демодуляции (декодирования).

3. Рассмотрена зависимость погрешности оценки потери достоверности от методики оценивания состояния и статистических свойств канала; показано, что точность оценки критична к скорости замираний и аддитивным шумам.

4. Получена оценка сверху для пропускной способности слабодисперги-рующего канала с целью оптимизации распределения энергии сигнала по частотно-временному полю.

5. Исследовано влияние частотного рассеяния на точность оценки импульсного отклика канала; показано, что среднеквадратическое отличие оценки от истинного значения численно равно выборочной дисперсии ряда отсчётов флуктуирующего сигнала и оценивается величиной, определяемой полученным аналитическим выражением.

6. Проведено детальное исследование потенциальной помехоустойчиво-

ста когерентного приема на основе анализа дистанционных свойств сигналов ФМ-2, ФМ-4 и ФМ-8, которые чаще других используются для передачи цифровой информации по диспергирующим каналам.

7. Созданы алгоритмы демодуляции сигналов в диспергирующих радиоканалах, основанные на адаптации к мгновенно меняющимся свойствам канала и интерполяции их оценок.

8. Показано, что в слабодиспергирующих каналах удаётся достичь практически точной оценки импульсной характеристики канала в момент приёма тестовой последовательности. Это означает, что погрешность оценки настолько мала, что её можно учесть соответствующим увеличением уровня шума в блоке решения, а сам блок решения можно строить в предположении точно известных неинформационных параметров сигнала.

9. Определены предельные возможности диспергирующих каналов, заданных физическими характеристиками рассеяния во времени и по частоте. Разработаны рекомендации по выбору сигнальных конструкций, позволяющих реализовать скорость передачи, приближающуюся к пропускной способности канала.

10. Принимая во внимание, что когерентная демодуляция базируется на оценивании импульсного отклика канала исследован вопрос о чувствительности демодулятора к погрешности получаемых оценок. Показано, что отдельные составляющие погрешности оказывают разное влияние на помехоустойчивость различения сигналов, а интегральная оценка потери достоверности определяется эквивалентным шумом погрешности, добавляемым к канальному шуму. Определено аналитическое выражение для верхней границы вероятности ошибки при когерентной демодуляции сигнала ФМ.

11. Моделирование системы передачи в диспергирующем канале с использованием максимально правдоподобного последовательного оценивания явно указывает на то, что при наличии надёжной текущей оценки мгновенных параметров канала добавление новых лучей распространения не снижает достоверности приёма, а в замирающих каналах даже увеличивает достоверность демодуляции за счёт эффекта разнесения по лучам.

12. Доказано, что разработанные методы проектирования систем радиосвязи KB и УКВ диапазонов позволяют увеличить вероятность правильного приёма кодового слова в три раза.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1 .Лепихов Ю.Н., Лялин В.Е. Оценка потерь достоверности сигнала в диспергирующем канале связи // В кн.: Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: - Изд-во ПГТУ, 1997. - С. 105-107.

2. Лепихов Ю., Жук Н., Земскова Н. Система расчетов «Старт» // Вестник связи international. -1999. - №1. - С. 17-19.

3. Лепихов Ю.Н. Программная модель канала связи, адекватно отображающая свойства реального тракта передачи радиосигналов // 32-я науч.-техн. конф. ИжГТУ: Тез. докл. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2000. - С. 36-38.

4. Лепихов Ю.Н. Разработка рекомендаций по выбору сигнальных конструкций, позволяющих реализовать скорость передачи, приближающуюся к про-

24

isi&Tf » - v

пропускной способности канала связи // 33-я науч.-техн. конф. ИжГТУ: Тез. докл. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2001. - С. 45-48.,

5. Лепихов Ю.Н. Проблемы цифровизации региональной телекоммуникационной системы // Научно-техническая конференция ТГТУ: Тез. докл. - Тула: ТГТУ, 2003. - С. 46-49.

6. Лепихов Ю.Н., Хворенков В.В. Информационная емкость диспергирующего канала с шумом // Информационные технологии в инновационных проектах: Тр. IV Международной науч.-техн. конф. - В 4 ч. - Ч. 4. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - С. 64-66.

7. Лепихов Ю.Н., Хворенков В.В. Минимизация погрешности оценивания импульснрй характеристики диспергирующего канала // Информационные технологии в инновационных проектах: Тр. IV Международной науч.-техн. конф. -В 4 ч. - Ч. 4. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - С. 66-68.

8. Лепихов Ю.Н., Хворенков В.В. Физическая и имитационная модели диспергирующего радиоканала // Информационные технологии в инновационных проектах: Тр. IV Международной науч.-техн. конф. - В 4 ч. - Ч. 4. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - С. 68-72.

9. Лепихов Ю.Н., Хворенков В.В. Потенциальная помехоустойчивость когерентного приема сигналов в диспергирующем канале // Математическое моделирование и интеллектуальные системы: Сб. науч. тр. ИжГТУ. - 2003. - № 1. -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - С. 13-18.

10. Хворенков В.В., Лепихов Ю.Н. Разработка методик оценивания импульсной характеристики канала связи // Математическое моделирование и интеллектуальные системы: Сб. науч. тр. ИжГТУ. - 2003. - № 1. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - С. 30-36.

11. Лепихов Ю.Н. Моделирование цифровой высокоскоростной системы передачи информации по декаметровому радиоканалу // Математическое моделирование и интеллектуальные системы: Сб. науч. тр. ИжГТУ. - 2003. - № 1. -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - С. 41-47.

12. Анализ принципов цифровой связи через многолучевые каналы с замираниями / Лепихов Ю.Н.. - Ижевск: ИжГТУ, 2003. - Деп. 6 ВИНИТИ 18.08.03 №1594-47 с.

13. Лепихов Ю.Н. Моделирование системы передачи информации через многолучевые каналы с замираниями // Высокопроизводительные вычисления и технологии (ВВТ-2003): Тр. Российской науч.-техн. конф. - Ижевск: Изд. дом УдГУ, 2003. - С. 11-14.

14. Лепихов Ю.Н., Самсонов М.Ю., Росляков A.B. Тульский филиал «Центр Телеком» на пути к сети следующего поколения // Электросвязь, 2003,

Ю.Н. Лепихов

Подписано к печати 12.09. 2003 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в типографии ИжГТУ, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Лепихов, Юрий Николаевич

Введение '

Глава 1. Анализ принципов цифровой связи через многолучевые каналы с замираниями

1.1. Характеристики многолучевых каналов с замираниями

1.1.1. Корреляционная функция канала и спектр мощности

1.1.2. Статистические модели для каналов с замираниями

1.2. Влияние характеристик сигнала на выбор модели канала

1.3. Канал, неселективный по частоте с медленными замираниями 36 » 1.4. Цифровая передача по частотно-селективному каналу с медленными замираниями

1.5. Кодированные сигналы для каналов с замираниями

1.6. Краткий обзор публикаций на тему цифровой связи по многолучевому каналу с замираниями

1.7. Постановка цели и задач исследования

Глава 2. Исследования информационной емкости и помехоустойчивости диспергирующего канала связи

2.1. Физическая и имитационная модели диспергирующего радиоканала

2.2. Информационная емкость диспергирующего канала с шумом

2.3. Потенциальная помехоустойчивость когерентного приема сигналов в диспергирующем канале

2.4. Полученные результаты и выводы

Глава 3. Алгоритмы оценивания импульсной характеристики канала связи 84 3.1. Минимизация погрешности оценивания импульсной

• характеристики диспергирующего канала

3.2. Разработка методик оценивания ИХ канала связи

3.3. Взаимосвязь параметров модели радиоканала

• и характеристик цифрового потока

3.4. Полученные результаты и выводы

Глава 4. Результаты имитационного моделирования цифровой системы передачи информации

4.1. Структурная схема модели системы передачи

4.2. Режимы испытаний

4.3. Модуляция

4.4. Канал связи

4.5. Демодуляция сигнала 109 о» 4.6. Моделирование

4.7. Полученные результаты и выводы

Введение 2003 год, диссертация по радиотехнике и связи, Лепихов, Юрий Николаевич

Актуальность темы. Каналы декаметрового и метрового диапазонов (KB и УКВ) отличаются нестабильностью параметров и широким диапазоном их изменения. Они характеризуются рассеянием энергии сигнала во времени и по частоте (диспергирующие каналы) и искажают исходные свойства сигналов, сформированных на передаче, в такой степени, что обычные методы приёма становятся неработоспособными. С развитием и широким внедрением подвижных средств связи аналогичные проблемы возникли и в дециметровом диапазоне волн. С точки зрения теории связи такие каналы оказались наиболее интересными и побудили многих исследователей к созданию общей теории таких каналов и разработке оптимальных методов преодоления рассеяния.

Несмотря на нестабильность параметров, пропускная способность таких каналов достаточно высока, и речь должна идти о том, чтобы на самом нижнем (физическом) уровне суметь эту пропускную способность реализовать в виде битового потока с заданной достоверностью.

Для преодоления искажений в диспергирующих каналах разработаны инвариантные к рассеянию и адаптивные методы передачи сообщений. Первые строятся так, чтобы приём сигналов оставался возможным в некотором достаv точно широком диапазоне изменения параметров рассеяния, а неизбежное снижение качества передачи компенсировалось на более высоких уровнях взаимодействия. Вторые строятся так, чтобы при любом сочетании мгновенных значений параметров канала обеспечивались максимально возможные в этих условиях скорость и качество передачи. Тогда и средние показатели качества окажутся наивысшими. Речь, таким образом, идёт о том, чтобы связать физические (первичные) параметры радиоканала и наложенные ограничения, с одной стороны, с предельно достижимыми характеристиками битового потока, с другой стороны. Очевидно, что для аналитического решения такой задачи необходимо иметь адекватную математическую модель канала, подкреплённую физическими экспериментами на реальный радиолиниях, а для имитационного моделирования разработать соответствующую вычислительную модель, реализуемую на современной элементной базе. Сюда входит необходимость имитации многолу-чёвости, в том числе диффузной, т.е. такой, при которой каждый отдельный путь распространения не может быть идентифицирован по принимаемому сигналу. Каждый луч должен быть представлен тремя параметрами - модулем, фазовым сдвигом и задержкой по огибающей. Эти параметры изменяются во времени, причём модуль и фазовый сдвиг взаимно зависимы, а средние задержки в каждом луче относительно стабильны.

Наилучшее качество демодуляции сигнала в диспергирующем канале достигается при использовании процедуры максимально правдоподобного последовательного оценивания на основе непрерывного измерения мгновенных параметров канала и когерентной демодуляции на основе полученных оценок опорных сигналов. Качество передачи-, определяется при этом дистанционными свойствами принимаемого сигнала, то есть совокупностью евклидовых расстояний между всеми парами альтернативных сообщений, которые должен различать демодулятор, и свойствами помех. В свою очередь, эти расстояния зависят от формы сигнально-кодовых конструкций и свойств канала. Необходимо исследовать, какие пары сигналов сохраняют различимость в рассеивающем канале. Для сохранения дистанционных свойств сигналов необходимо применять специальные меры.

Достаточные евклидовы расстояния между всеми парами возможных сигналов ещё не являются гарантией работоспособности приёмного устройства. Важно, чтобы приёмник мог идентифицировать эти сигналы, т.е. сопоставить им решения относительно переданных сообщений. В условиях полной априорной неопределённости относительно текущих параметров тракта распространения сигнала требуется постоянное обновление сведений об этих параметрах, хранящихся в приёмнике. Когерентный демодулятор может обеспечить наивысшую достоверность приёма, однако он же предъявляет наиболее жёсткие требования к точности этих сведений. Следовательно, должно быть исследовано влияние погрешностей оценки параметров канала на качество передачи сообщений, разработаны эффективные способы оценивания параметров канала. Для получения таких оценок приходится тратить часть пропускной способности канала. На практике получили наибольшее применение системы передачи с обучающими (тестовыми) вставками в информационный сигнал. Необходимо оценить потерю пропускной способности при наличии и отсутствии обучающих вставок в сигнале.

Объектом исследования являются многолучевые каналы с замираниями KB и УКВ диапазонов; частотно-временное рассеяние и пропускная способность канала; характеристики битового потока; модуль, фазовый сдвиг и задержка по огибающей луча; евклидовые расстояния между парами альтернативных сообщений; когерентный демодулятор; формы сигнально-кодовых конструкций и свойств канала.

Предметом исследования являются инвариантные к рассеянию и адаптивные методы передачи сообщений; физическая модель радиоканала как линейная среда с частотным, временным и пространственным рассеянием сигнала; адекватная математическая модель канала; имитационное моделирование и вычислительная модель канала; эффективные способы оценивания параметров канала; информационная емкость и помехоустойчивость диспергирующего канала; вероятность ошибки на символ; переходная матрица состояний.

Цель работы - разработка научно обоснованных рекомендаций по созданию системы радиосвязи для KB и УКВ диапазонов путем анализа физической модели и разработки имитатора диспергирующего радиоканала, а также создания алгоритмов оценивания импульсной характеристики канала связи, обеспечивающих возможность точного цифрового моделирования прохождения сигнала по каналу связи, что вносит вклад в развитие методов проектирования систем передачи, позволяющих уменьшить вероятность ошибочного приёма кодового слова в несколько раз.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- провести анализ основных принципов цифровой связи через многолучевые каналы с замираниями на примерах каналов с релеевскими и райсовскими замираниями;

- на основе анализа физической модели диспергирующего радиоканала идентифицировать его имитационную модель, разработать функциональную схему имитатора канала с частотно-временным рассеянием; установить взаимосвязь параметров модели радиоканала и характеристик цифрового потока;

- дать оценку информационной емкости диспергирующего канала с шумом и потенциальной помехоустойчивости когерентного приема сигналов в диспергирующем канале;

- определить потенциальные возможности диспергирующих каналов по пропускной способности и разработать методику выбора сигнально-кодовых конструкций, реализующих эти возможности;

- оценить эффективность видов защитного кодирования, основанных на увеличении евклидова расстояния между кодовыми векторами, для применения их в дисперегирующем канале связи;

- минимизировать погрешность оценивания импульсной характеристики диспергирующего канала при когерентной демодуляции; установить влияние погрешности оценки на вероятность ошибки демодуляции по отношению к канальному шуму;

- исследовать разработанные алгоритмы, осуществить сравнение теоретических результатов, полученных количественных характеристик качества их функционирования путем проведения имитационного моделирования и эксперимента;

- провести имитационное моделирование цифровой системы передачи информации; исследовать устойчивость системы передачи к временному рассеянию в форме многолучёвости, частотному рассеянию в форме независимых релеевских замираний амплитуд и флуктуаций фаз отдельных лучей распространения, а также к аддитивному белому гауссовскому шуму.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. *

Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях системного и функционального анализа, теории вероятностей и случайных функций, а также теории статистической радиотехники и информатики. Для нахождения общего объёма переданной информации в дисперегирующем канале использован вариационный метод Лагранжа.

При проектировании имитатора радиоканала с частотно-временным рассеянием и аддитивными помехами и разработке алгоритмов оценивания импульсной характеристики канала связи использовались теоретические основы радиотехники, теория кодирования и11формации, основы вычислительной техники и методы линейной алгебры.

Экспериментальные исследования базировались на методах имитационного моделирования и вычислительного эксперимента с использованием процедуры максимально правдоподобного последовательного оценивания.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена сопоставлением разработанных математических моделей и синтезированных на их основе оптимальных алгоритмов оценивания цифровых сигналов и управления ресурсами с известными моделями и алгоритмами при соответствующих допущениях, экспериментальной проверкой основных теоретических выводов и положений, а также внедрением результатов исследований в образцы новых средств связи.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных контрольно-диагностических средств точности обработки дискретных и цифровых сигналов, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами подсчета данных и хорошей воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся результаты исследований по созданию математических моделей и алгоритмов имитационного моделирования дисперегирующих радиоканалов и метрологическое обеспечение цифровой системы связи, в том числе: