автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Неэталонная оценка параметров радиосигналов с цифровыми видами модуляции

На правах рукописи

Дубов Михаил Андреевич

НЕЭТАЛОННАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ С ЦИФРОВЫМИ ВИДАМИ МОДУЛЯЦИИ

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2013 005546874

005546874

Работа выполнена на кафедре динамики электронных систем ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова»

Научный руководитель: доцент кафедры динамики электронных

систем ЯрГУ им. П.Г. Демидова, доктор технических наук, доцент Приоров Андрей Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кафедры радиотехники и радиосистем ВлГУ, г. Владимир Полушин Петр Алексеевич

кандидат технических наук, инженер ООО «ЭЙТИ КОНСАЛТИНГ», г. Ярославль

Мочалов Иван Сергеевич

Ведущая организация: ОАО «Ярославский радиозавод»

Защита диссертации состоится «27» декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.04 при ФГБОУ ВПО Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, корп. 3, ФРЭМТ, ауд. 301.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Автореферат разослан 20 ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ФРЭМТ.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А.Г.Самойлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прошло чуть больше столетия с момента появления первых систем радиосвязи, изобретенных A.C. Поповым, Г. Маркони, Н. Теслой, Э. Бранли, О.Д. Лоджем. С тех пор было разработано более 90 различных типов модуляции сигналов и еще большее количество помехоустойчивых кодов, были предложены методы оптимального приема и обработки радиосигналов. Основополагающий вклад в развитие радиосвязи внесли В.А. Котельников, А.Н. Колмогоров, A.A. Харкевич, АЛ. Хинчин, В.И. Сифоров, Н. Винер, К. Шеннон, С. Райе и др. Многие современные системы близки к предельной спектральной эффективности, например, такие как UMTS/W-CDMA, WiMAX, LTE, DVB-S2/T2 и др.

Сложность таких систем и все возрастающая частота смены технологий оборачивается крупными экономическими затратами. Поэтому на смену классическим аппаратным решениям приемо-передающей аппаратуры повсеместно приходят решения на основе концепции программно-определяемого радио (ПОР). В данном случае большая часть функций физического уровня реализуется программно, что значительно удешевляет и ускоряет процесс смены технологий. Следующим этапом современного развития радиосвязи являются когнитивные радиосистемы (КРС). Такие системы представляют собой сеть ПОР-устройств, обладающую признаками искусственного интеллекта. В когнитивных радиосетях решение о частотах, полосе, типе модуляции принимается самими устройствами. Но самой актуальной задачей для современных систем связи является задача достижения максимальной спектральной эффективности при любом качестве канала связи. Для этого необходимо иметь алгоритмы оценки параметров радиосигналов в режиме, близком к реальному времени.

Анализ литературы по методам обработки сигналов показал, что на данный момент эффективные алгоритмы оценки таких важных параметров радиосигналов как отношение сигнал-шум (ОСШ) и вероятность битовой ошибки (ВБО) требуют либо наличия некоторых эталонных сигналов, либо они узкоспециализированы для конкретных видов модуляции.

В этой связи актуальным является разработка эффективных алгоритмов оценки ОСШ и ВБО для цифровых видов модуляции в режиме, близком к реальному времени, что позволит быстро адаптировать систему связи к текущим условиям в канале.

Состояние проблемы. Несмотря на большое количество работ, посвященных статистической оценке различных параметров радиосигналов, работ, посвященных именно оценке ОСШ, не так много. Большой вклад в обобщение результатов и разработку измерителей ОСШ внесли И.Т. Рожков, В.П. Шувалов, В.Е. Бухвинер и др. Среди зарубежных ученых стоит отметить таких исследователей, как: David R. Pauluzzi, Norman С. Beaulieu, С.М. Thomas, R. Matzner, В. Shah, S. Hinedi, К. Balachandran, М.С. Jeruchim, RJ. Wolfe и др.

Наиболее сложной является оценка ОСШ для сигналов с аналоговыми видами модуляции, для цифровых видов задача несколько проще, т. к. известен

ожидаемый набор символов. Исторически первыми появились алгоритмы оценки ОСШ для фазовых видов квадратурной модуляции (ФМ), несколько позже - для сигналов с квадратурной амплитудной (KAM) и фазово-амплитудной (АФМ) модуляциями. Это связано с тем, что у данных видов модуляции длина символьного вектора непостоянна.

Целью работы является разработка и исследование алгоритмов неэталонной оценки отношения сигнал-шум и вероятности битовой ошибки для радиосигналов с квадратурными цифровыми видами модуляции.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

• сравнительный анализ существующих алгоритмов оценки ОСШ сигналов с квадратурными цифровыми видами модуляции;

• исследование алгоритмов измерения вероятности битовой ошибки как основного критерия качества в современных системах связи;

• разработка алгоритма неэталонной оценки отношения сигнал/шум для радиосигналов с квадратурной цифровой модуляцией;

• разработка алгоритма неэталонной оценки вероятности битовой ошибки для сигналов с квадратурной цифровой модуляцией в режиме реального времени;

• сравнение разработанных методов с существующими;

• разработка рекомендаций по адаптации системы связи к текущему ОСШ или ВБО в канале.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы цифровой обработки сигналов, теории вероятностей и математической статистики. Широко использовались также методы компьютерного моделирования.

Объектом исследования является система оценки параметров радиосигналов с квадратурными видами модуляции.

Предметом исследований являются эталонные и неэталонные алгоритмы оценки таких параметров радиосигналов как отношение сигнал/шум и вероятность битовой ошибки.

Научная новизна

1. Разработан алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с квадратурными цифровыми видами цифровой модуляции на основе вектора ошибок.

2. Разработаны модификации алгоритма оценки ОСШ на основе вектора ошибок с учетом оценки мощности принятого сигнала и данных декодера.

3. Разработан алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой (символьной) ошибки для сигналов с квадратурной цифровой модуляцией на основании измерения отношения сигнал/шум.

Практическая значимость

1. Разработанный алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум позволяет производить быстрое принятие решение о смене типа

модуляции для обеспечения максимально возможной спектральной эффективности или поиска наилучшего канала связи в доступном диапазоне частот, опираясь на измеренное значение ОСШ. Для модуляции КАМ-16, например, обработка 1600 символов дает оценку ОСШ с погрешностью не более 0,5 дБ.

2. Предложенный алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой ошибки позволяет существенно повысить скорость определения этого параметра по сравнению с классическими методами. Например, для модуляции КАМ-16 и скорости битового потока 2048 кбит/с, вероятность битовой ошибки 10'5 классическим способом будет оценена за 0,5 с, а предложенным с той же точностью - за 0,1 с.

3. Предложенные переходы между различными видами модуляции в зависимости от текущего ОСШ в канале могут быть использованы в адаптивных системах связи для обеспечения максимальной спектральной эффективности.

Результаты работы внедрены в соответствующие разработки ОАО «Ярославский радиозавод», ООО «А-Вижн» (г. Ярославль). Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ЯрГУ в рамках дисциплины «Беспроводные сети связи», а также в научно-исследовательские работы при выполнении исследований в рамках грантов по программе «УМНИК» (договор №5/2010 от 1 апреля 2010 г.) и гранта РФФИ №10-08-01186-а «Разработка методов оценки качества видеоинформации». Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Личный вклад автора. Выносимые на защиту положения предложены и реализованы автором самостоятельно в ходе выполнения научно-исследовательских работ на кафедре динамики электронных систем Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова.

Достоверность материалов диссертационной работы подтверждена результатами компьютерного моделирования, демонстрирующими эффективность предложенных методов в задачах оценки параметров радиосигналов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 12, 13, 14 Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2010-2012;

• 1 Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны», Пенза, 2011;

• XVIII, XIX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2012-2013;

• 17 Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 2012;

• 1-2 Всероссийской конференции «Радиоэлектронные средства передачи и приема сигналов и визуализации информации», Москва-Таганрог, 2011-2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, 6 в рецензируемых сборниках трудов, подана заявка на регистрацию программного обеспечения (ПО) для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 104 страницах. Список литературы включает 116 наименований. В работе представлено 52 рисунка и 3 таблицы.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с многоуровневыми квадратурными видами модуляции (KAM, ФМ, АФМ).

2. Модифицированный алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с многоуровневыми квадратурными видами модуляции (KAM, ФМ, АФМ), учитывающий данные декодера.

3. Алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой (символьной) ошибки для сигналов с квадратурными видами модуляции в режиме реального времени.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится классификация существующих алгоритмов оценки параметров радиосигналов, под которыми в данной работе подразумеваются отношение сигнал-шум и вероятность битовой ошибки. Различные варианты классификации приведены на рис. 1. Кроме того, приводится описание сигналов с цифровыми видами квадратурной модуляции KAM, ФМ, АФМ, к которым применяются разработанные алгоритмы.

Наибольшее внимание уделяется сравнению эталонных (принимаемые символы известны) и неэталонных (принимаемые символы неизвестны) алгоритмов в виду возрастающей значимости последних. Более детально рассматриваются алгоритмы на основе метода моментов (ММ) и метода максимального правдоподобия (ММП).

В ходе анализа текущего состояния задачи оценки ОСШ рассчитаны границы Рао-Крамера для эталонных и неэталонных алгоритмов оценки. Результаты показали, что при высоких значениях ОСШ эти границы совпадают, при низких - значительно расходятся. Граница для неэталонных оценок лежит выше, чем для эталонных, причем для модуляций с непостоянной огибающей

имеет более сложную колеблющуюся форму, чем для модуляций с постоянной огибающей (плавная монотонная функция).

Рис. 1. Классификация алгоритмов оценки ОСШ 7

Также у неэталонных алгоритмов граница Рао-Крамера проходит выше у созвездий более высокого порядка.

Все исследования проводятся на основе модели системы связи, показанной на рис. 2. Здесь а„ - комплексные отсчеты, представляющие модуляционное созвездие на видеочастоте, ФНЧ - фильтр нижних частот с характеристикой типа «корень квадратный из приподнятого косинуса», Б и N — мощности сигнала и шума соответственно, у„ - мягкие решения, получаемые в приемнике, которые затем подаются на детектор с жестким решением. Перенос на радиочастоту и возможные сопутствующие искажения в данной модели не учитываются. Также идеальными считаются фазовая и символьная синхронизации.

Рис. 2. Упрощенная модель системы цифровой связи на видеочастоте Результаты исследования алгоритмов на основе метода моментов показывают, что аналитическое выражение для оценки ОСШ получается только в алгоритме М2М4, использующем начальные моменты второго и четвертого порядков, который к тому же обладает наименьшей вычислительной сложностью. Алгоритмы на основе метода моментов больше подходят для модуляций с постоянной огибающей. Обнаружено смещение в области высоких ОСШ. Показано, что путь к получению более точных оценок лежит в сторону увеличения порядка используемых моментов.

Алгоритмы на основе максимизации функции правдоподобия дают слабо смещенные и эффективные оценки, однако в неэталонном случае результат сильно искажается в области низких ОСШ. В эталонном случае такие алгоритмы дают наилучший результат, близкий к границе Рао-Крамера.

Таким образом, основная цель исследований - получить минимально смещенные оценки в области низких ОСШ в неэталонном случае.

Во второй главе описывается предлагаемый алгоритм неэталонной оценки ОСШ. В основе предлагаемого алгоритма лежит понятие вектора ошибок е(п). Это вектор между принятым символом у(и) (после фильтра и

дециматора в приемнике) и переданным символом sS'\rí) или символом,

восстановленным на приемной стороне (рис.3). При этом квадрат

модуля вектора ошибки |е(и)|2 определяется выражением:

\е(п)\2 = 07(и) - а(/\п))2 + (ув(п) - а^(п))2.

е*

У(">

Рис. 3. Графическое представление вектора ошибок на примере созвездия КАМ-4 (пунктиром отмечено облако ошибок)

С учетом определения вектора ошибки можно записать формулу расчета среднего значения коэффициента ошибок модуляции (КОМ), которая численно равна ОСШ, для фрейма (пачки символов), состоящего из Ы!ут символов:

N -1

1у5ут 1

I \а{п)\

ОСШ = КОМ = \щ

и=0

I Н«)Г

л=0

Вместо эталонных (переданных) значений координат точки созвездия с£р{п) и а^{п) можно использовать координаты точек, восстановленных в

приемнике на основе данных детектора а^р{п) и . В этом случае

получается неэталонная модификация метрики КОМ. Ниже для отличия эталонного и неэталонного алгоритмов на основе КОМ добавляются буквы «э» или «нэ» к названию соответственно.

Предлагается три модификации неэталонного алгоритма оценки ОСШ на основе КОМ для приемника с жестким детектором, т. к. эта мера напрямую связана с величиной ОСШ:

• с восстановлением символов в приемнике без оценки мощности принимаемого созвездия;

• с восстановлением символов в приемнике и оценкой мощности принимаемого созвездия с помощью данных от цифровой системы автоматической регулировки усиления (АРУ);

• с восстановлением символов в приемнике и использованием данных от декодера.

Главная проблема использования неэталонных алгоритмов заключается в том, что в случае ошибки в символе величина модуля вектора ошибки окажется

меньше, чем на самом деле, т. к. детектор с жестким решением «притянет» символ к ближайшей точке созвездия. В метрологических рекомендациях этот момент отмечается, но пути его преодоления не приводится. Предлагается считать значение КОМ-нэ некорректным, если ВСО превышает 1%.

На рис. 4 приведена структурная схема предлагаемых измерителей ОСШ. Пунктиром выделены опциональные блоки, которые соответствуют модификациям алгоритма и описаны в третьей главе.

Рис. 4. Структурная схема модели измерителя ОСШ на основе КОМ В ходе проведения экспериментов по оценке ОСШ для модуляций вида KAM, ФМ, АФМ получены важные закономерности, показывающие, что смещение неэталонной оценки присутствует при ОСШ, соответствующих ВСО более 1 %, однако это смещение меньше, чем для алгоритма на основе ММП и может быть компенсировано. На рис. 5 приведены результаты для КАМ-16 и KAM-256 при объеме выборки = 1000. Видно, что смещение увеличивается с увеличением порядка созвездия. Вид зависимости такой, что позволяет по измеренному ОСШ восстановить истинное с определенной точностью.

30

26

10 20 ч

"" 15

о

! ю

1 1

— ---ком- Э

**

30

ш 25

| 20 О

I15

О 10

1 ! 1 _ ---КОМ-э — КОМ-нэ

**

Смеи^ние оценки

Смещение оцеши

11 13 15 17 19 21 23 2! ОСЩдБ

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 3< ОСЩ дБ

Рис. 5. Сравнение эталонной и неэталонной оценок на примере KAM

10

Предлагается аппроксимация графика на основе КОМ-нэ полиномом

вида:

~2 -3 P = üq + a\p-Y ajp + ...,

где р - истинное значение ОСШ в дБ, а р - измеренное. В случае кусочной

аппроксимации требуется полином не выше 3 степени.

На рис. 6 приведены графики зависимости среднеквадратической

погрешности (СКП) от ОСШ для модуляций вида KAM, которая определялась

как:

где Ь - смещение оценки, И, - количество измерений, а каждое измерение ОСШ р производится по Ы!ут отсчетам. В неэталонном случае поведение СКП сложное и определяется формой модуляционного созвездия.

СКП для КАМ-4, N = 1000, К = 100

V \ КОМ-э

\ «

\ \

\ \

мм<

10 15 20 25 ОСЩ дБ

0.06 0.055

I

0.05 0.045 i 0.04

СКП для КАМ-16, N = 1000, К = 100

-•-КОМ-Э -•-КОМ-НЭ

ч

V

Ч V

10 15 ОСШ, дБ

СКП для КАМ-64, N = 1000, К = 100

СКП для КАМ-256, N = 1000, К - 100

»V • i >— -•-КОМ-э -•-КОМ-нэ

—\- • \ »

» ч 1

ч ««••I

10 15 20 25 30 ОСШ, дБ

-1 [ -•- —•- КОМ-э КОМ-нэ '

ч -ч-

ч-ч

«мм

10 15 20 25 30 35 ОСЩдБ

Рис. 6. СКП алгоритмов при М,™ = 1000, Л',= 100 Предлагается повышать точность оценки не путем увеличения количества символов для расчета а путем усреднения результатов по фреймам

фиксированной длины. Это более удобный с технической точки зрения способ, т. к., как правило, обработка сигналов в цифровых радиоприемных устройствах

осуществляется побуферно, а не сплошным потоком. По рис. 7 можно проследить зависимость СКП от количества обработанных фреймов.

Рис. 7. Зависимость СКП от числа обработанных символов при усреднении по фреймам, размером 1000 символов

Приводится описание разработанного алгоритма оценки ВБО. Он основан на известной функциональной зависимости между ОСШ и ВБО в условиях действия аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ). Основные шаги алгоритма на примере модуляций вида KAM.

1. Измерить КОМ-нэ по восстановленному после оптимального детектирования созвездию.

2. Если полученное значение больше порога - сохранить, если меньше -скорректировать смещение.

3. Рассчитать значение ВБО до декодера по формуле (или таблице):

где к - количество бит/символ, М - порядок созвездия, Q(x) — модифицированная функция ошибок.

4. Если необходимо оценить исправляющую способность декодера, то рассчитать новое ОСШ с учетом данных декодера.

5. Если полученное значение больше порога - сохранить, если меньше — скорректировать смещение.

6. Рассчитать значение ВБО после декодера по указанной выше формуле, затем найти отношение:

К = ВБОт/

/ ВБОпосж

Главное преимущество предлагаемого алгоритма - в отсутствии необходимости использовать эталонные последовательности для определения ВБО, а также в скорости работы. Например, рассмотрим поток El со скоростью 2048 кбит/с, модуляция - KAM-16, тогда для определения ВБО 10"5

классическим способом потребуется 106 / 2,048-106 = 0,5 с. Для определения ВБО 10"8 классическим способом потребуется 109 / 2,048-106 ~ 489 с = 8 мин. Для определения любой ВБО предложенным способом по 50 фреймам из 1000 символов потребуется: 50*1000*4 / 2,048-106 = 0,1 с. Менее точные оценки получаются уже через 0,005 с. Визуально сравнить скорость работы предложенного алгоритма с классическим можно на рис. 8.

irfr*

— — ■ Измерение — | ■ Расчет -Теория

К*

11 1 у

Кол-во обработанных символов

■ >■ ""■Измерение Расчет — ■ — Теория

Ii 1 ■ ■

1

»V— |

1 1 1

0U-■—---------Л

0123456789 10

Кол-во обработанных символов

Рис. 8. Сравнение оценки ВБО предлагаемым и классическим алгоритмами для КАМ-16 при ОСШ = 16 дБ (вверху) и ОСШ = 20 дБ (внизу)

В третьей главе приводится описание модификаций предложенного алгоритма оценки ОСШ, а также освещаются вопросы аппаратной реализации и оценки вычислительной сложности алгоритма.

На рис. 9 приведена укрупненная схема возможной аппаратной реализации алгоритма оценки ОСШ и ВБО. Подразумевается, что отсчеты квадратур принятого сигнала Г/(к) и гд(к) не содержат ошибок по фазовой

синхронизации, а также имеется символьная синхронизация. Сначала осуществляется нормализация принятого созвездия по полученной оценке мощности, затем отсчеты передаются на детектор с жестким решением и на вычислитель модуля вектора ошибки. Данные с декодера передаются дальше в приемник, а также на модулятор, который восстанавливает принятое созвездие. После этого модуль вектора ошибки пересчитывается в оценку ОСШ, которая сравнивается с пороговым значением. Оно соответствует такому ОСШ, при котором происходит символьная ошибка в 1% или 0,1% в зависимости от требуемой точности. Если значение ОСШ выше порога, оно считается истинным, если ниже, то подвергается корректировке с помощью подстановки

в полином. Коэффициенты полинома определяются видом модуляции. Также возможна корректировка по таблице.

П(к)

ФШИ Дециыатор

ФНЧ + Дециматор

- X Д Ь М

Оценка мощ-ти /

УфЬ

X Л д

—|Гг-1

Д ъ м

- х

м -> -

70

осш

н» х

х>а Коррекция

Порог а Коэф-ты

осш

■

о Оценка , ВБО

Вид мод-ции

Рис. 9. Укрупненная схема аппаратной реализации алгоритма оценки ОСШ Таким образом, реализация предлагаемого алгоритма использует только те сигналы и блоки, которые уже есть в цифровом радиоприемном устройстве. Для реализации алгоритма практически не требуется добавлять какие-либо новые сложные блоки в приемник. Однако алгоритм требует нормализации созвездия, что не всегда делается в приемнике, поэтому в работе дополнительно предложен блок оценки мощности принимаемого созвездия на фоне действия шума. Структура предлагаемого блока приведена на рис. 10.

Рис. 10. Блок оценки мощности на основе рекурсивного цифрового фильтра В основе устройства лежит рекурсивный фильтр нижних частот, который должен выделять постоянный уровень мощности принимаемого сигнала. По сути, он выполняет операцию усреднения мгновенной мощности созвездия. Поскольку необходимо пропускать очень узкую полосу (окрестность нулевой частоты), полоса пропускания фильтра должна быть очень малой (реально 0,01-0,1 нормированной частоты), но это автоматически приведет к росту длины импульсной характеристики. Как итог - необходим компромисс между точностью оценки средней мощности и скоростью получения этой оценки.

В случае реализации фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ) потребовалась бы много вычислительных ресурсов, т. к. длинна такого

14

фильтра достигала бы 1000-2000. Поэтому было принято решение использовать рекурсивный эллиптический фильтр, который позволил бы получить необходимую избирательность при минимальном порядке. Экспериментально подобран фильтр с длительностью переходных процессов, близкой к количеству отсчетов, используемых для расчета КОМ. При этом порядок не превышал 3-4 при точности нормировки созвездия 1-2%. Недостатком такого решения является возможная неустойчивость фильтра. В качестве защиты использовался блок «Порог», который не позволял бы пропускать заведомо неверные оценки мощности сигнала в блок нормировки.

Поскольку системы беспроводной связи наиболее подвержены воздействию шумов, то в них практически всегда применяется помехоустойчивое кодирование. Предложенный алгоритм оценки ОСШ дает несмещенную оценку, когда вероятность символьной ошибки мала.

Предлагается модификация алгоритма, которая заключается в восстановлении созвездия на приемной стороне не по данным детектора, а по данным декодера, что позволит расширить диапазон получения несмещенной оценки. Для этой модификации также не потребуется осуществлять принципиальные изменения в схеме цифрового приемника. Также появляется возможность «на лету» оценивать исправляющую способность декодера, что может быть полезно для адаптивных систем связи, использующих различные комбинации схем модуляции и кодирования в зависимости от состояния канала. В работе приводится таблица влияния различных таких комбинаций на смещение оценки и коэффициенты аппроксимирующих полиномов. Например, при использовании кода Рида-Соломона удается уменьшить смещение до 1-3 дБ для всех видов модуляции в диапазоне 0-15 дБ.

В ходе выполнения работы разработана научно-исследовательская программа «YarSignalQuality», которая позволяет получать оценку ОСШ на основе различных алгоритмов, которые могут добавляться пользователем самостоятельно в виде MATLAB файлов определенной структуры. Используемая модель идентична модели системы связи, описанной в первой главе. На данный момент реализовано несколько вариантов алгоритма М2М4, алгоритм на основе метода максимального правдоподобия, а также предложенные в диссертации алгоритмы. Подана заявка на регистрацию программы.

Кроме того, разработан широкополосный цифровой радиоприемник на диапазон 24-1700 МГц и частотный конвертер, позволяющий принимать сигналы от 1 до 24 МГц. Устройство работает по принципу дискретизации на промежуточной частоте и последующим цифровым разделением на квадратуры. Полученные сигналы в виде I и Q каналов передаются на персональный компьютер в специализированное ПО с открытым исходным кодом SDR# для дальнейшей обработки, например, демодуляции. Полоса единовременного обзора - до 3 МГц, разрядность АЦП - 8 бит. Разработанные алгоритмы внедрены в виде отдельных плагинов к данному ПО, таким образом получена возможность работы с реальными радиосигналами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с квадратурными цифровыми видами модуляции (KAM, ФМ, АФМ) на основании неэталонной оценки искажений созвездия КОМ. Установлено, что зависимость величины КОМ от истинного значения ОСШ описывается функцией, которую можно аппроксимировать с заданной точностью полиномом, либо представить в табличной форме и скорректировать смещение оценки ОСШ. Предложенный алгоритм позволяет существенно расширить границы применения оценки на основе КОМ. Результаты получены при условии отсутствия любых других искажающих сигнал факторов кроме АБГШ.

2. Смещение оценки ОСШ происходит только при ОСШ меньше порога, соответствующему 1% ВСО, и составляет до 3-8 дБ в зависимости от порядка модуляции, что на 1-2 дБ лучше алгоритмов на основе ММП. В зависимости от типа модуляции, при одинаковом порядке разница в смещении - не более 0,3-0,5 дБ.

3. Для аппроксимации неэталонных графиков в зависимости от порядка модуляции требуется степень полинома от 2 до 5. Для КАМ-64 и КАМ-256 целесообразна кусочная аппроксимация с разбиением на 3 интервала.

4. Анализ статистических свойств оценки показал, что при ОСШ выше порога СКП неэталонной оценки совпадает с СКП эталонной оценки, а при ОСШ ниже порога поведение СКП имеет сложный характер. Присутствует участок, где она лучше эталонной оценки, и участок, где хуже. Кроме того, СКП не более чем на 0,2 дБ отличается от СКП для алгоритма на основе метода максимального правдоподобия.

5. Предложен алгоритм оценки вероятности битовой (символьной) ошибки для сигналов с квадратурной модуляцией в режиме реального времени, который позволяет значительно быстрее при сопоставимой погрешности по сравнению с традиционными алгоритмами определить текущее значение битовой ошибки в приемнике без необходимости использования каких-либо эталонных последовательностей. Например, для модуляции КАМ-4, скорости потока 2048 кбит/с и вероятности битовой ошибки 10"8 время оценки ВБО с погрешностью, не превышающей 10%, составляет 8 мин при использовании традиционных алгоритмов и 0,1 с - предложенного алгоритма.

6. Предложена модификация алгоритма оценки ОСШ с использованием данных от цифровой системы АРУ на основе рекурсивного фильтра не более 3-4 порядка для нормализации созвездия по мощности. Время нормализации созвездия сопоставимо с размером фрейма, по которому производится расчет ОСШ (1-2 тыс. символов).

7. Предложена модификация алгоритма оценки ОСШ с использованием данных от встроенного в приемник декодера. Например, при использовании кода Рида-Соломона удается уменьшить смещение до 1-3 дБ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Дубов, М.А. Методика неэталонной оценки отношения сигнал/шум и вероятности битовой ошибки для сигналов с квадратурной модуляцией / М.А. Дубов, А.Л. Приоров // Цифровая обработка сигналов. - 2012. - № 4. - С. 37-43.

2. Дубов, М.А. Исследование эталонных и неэталонных методов оценки вероятности битовой ошибки / М.А. Дубов, А.Л. Приоров // Проектирование и технология электронных средств. - 2012. - № 2. - С. 19-24.

Материалы международных и всероссийских конференций

3. Дубов, М.А. Моделирование цифрового радиоприемного устройства МВ/ДМВ диапазона / М.А. Дубов, Ю.В. Полянин // Цифровая обработка сигналов и ее применение: сб. докладов 12-й межд. науч.-практ. конф. - М., 2010.-Т. 2.-С. 262-265.

4. Дубов, М.А. О проблеме применения концепции SDR в современных средствах связи с повышенными требованиями к динамическому диапазону / М.А. Дубов, Ю.В. Полянин // Научно-практические аспекты развития современной техники и технологий в условиях курса на инновации: сб. трудов конф. - СПб. - М„ 2010. - С. 34-38.

5. Дубов, М.А. Анализ возможности применения концепции SDR в средствах связи специального назначения на примере радиостанции Р-612 / М.А. Дубов, Ю.В. Полянин, Д.Д. Стоянов // Научно-практические исследования и проблемы современной молодежи: труды II междунар. молодеж. науч.-практ. конф. -Казань-Елабуга, 2010.-Т. 1.-С. 126-130.

6. Дубов, М.А. Анализ бюджетных программно-аппаратных платформ для изучения принципов SDR в университетах / М.А. Дубов, Ю.В. Полянин, И.А. Будников, Д.Д. Стоянов // Цифровая обработка сигналов и ее применение: сб. докл. 13-й междунар. науч.-практ. конф. - М., 2011. - Т. 2. - С. 265-267.

7. Дубов, М.А. Об особенностях аппаратной реализации современных радиоприемных устройств / М.А. Дубов // Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий: тр. IV всеросс. науч.-практ. (заочной) конф. - М., 2011. - С. 39-45.

8. Дубов, М.А. Программно-аппаратная платформа для разработки и анализа алгоритмов цифрового радиоприема / М.А. Дубов, А.Л. Приоров, A.B. Власов // Радиоэлектронные средства передачи и приема сигналов и визуализации информации: матер, первой всерос. конф. - М.-Таганрог, 2011. -С. 21-24.

9. Дубов, М.А. Особенности применения технологии SDR в средствах связи специального назначения / М.А. Дубов, Ю.В. Полянин, Д.Д. Стоянов // Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны: матер. I междунар. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых. - Пенза, 2011. -Ч. 1.-С. 315-317.

10. Дубов, М.А. Программно-аппаратный комплекс средств исследования алгоритмов цифрового радиоприема / М.А. Дубов, Н.В. Кокарев, A.B. Власов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. XVIII междунар.

науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М., 2012. - Т. 1. - С. 53-54.

11. Полянин, Ю.В. Современный подход к проектированию радиотракта приемника МВ/ДМВ диапазона / Ю.В. Полянин, М.А. Дубов, Д.Д. Стоянов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. XVIII междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М., 2012. - Т. 1. - С. 72.

12. Дубов, М.А. Оценка вероятности битовой ошибки приема сигналов с квадратурной модуляцией неэталонными методами / М.А. Дубов, Ю.В. Полянин, Д.Д. Стоянов, Ю.А. Брюханов // Цифровая обработка сигналов и ее применение: сб. докл. 14-й междунар. науч.-техн. конф. - М., 2012. — Т. 1. — С. 173-177.

13. Дубов, М.А. Методика неэталонной оценки вероятности битовой ошибки сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией / М.А. Дубов // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций: матер. 17-й междунар. науч.-тех. конф. - Рязань, 2012. -Ч. 1.-С. 78-80.

14. Дубов, М.А. Методика неэталонной оценки степени зашумленности сигналов с квадратурной модуляцией / М.А. Дубов, С.А. Юдкин, А.Л. Приоров // Радиоэлектронные средства передачи и приема сигналов и визуализации информации: матер. 2-ой всерос. конф. - М.-Таганрог, 2012. - С. 66-70.

Подписано в печать 15.11.13. Формат 60x84 '/]6. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Отдел оперативной полиграфии ЯрГУ. 150000, г. Ярославль, ул. Советская, 14.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Кафедра динамики электронных систем

На правах рукописи

Дубов Михаил Андреевич

НЕЭТАЛОННАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ С ЦИФРОВЫМИ ВИДАМИ

МОДУЛЯЦИИ

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Приоров Андрей Леонидович

Владимир, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РАДИОСИГНАЛОВ

1.1. Основные критерии качества радиосигналов

1.2. Используемая модель системы связи

1.3. Классификация алгоритмов оценки ОСШ

1.4. Алгоритмы на основе метода моментов

1.5. Алгоритмы на основе метода максимального правдоподобия

1.6. Граница Рао-Крамера

1.7. Краткие выводы

I

ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ОСШ НА ОСНОВЕ ВЕКТОРА ОШИБОК

2.1. Описание алгоритма

2.2. Результаты для модуляции KAM

2.3. Результаты для модуляции ФМ

2.4. Результаты для модуляции АФМ

2.5. Алгоритм неэталонной оценки ВБО на основе оценки ОСШ

2.6. Краткие выводы

ГЛАВА 3. МОДИФИКАЦИИ ПРЕДЛАГАЕМОГО АЛГОРИТМА И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

3.1. Оценка средней мощности зашумленного созвездия

3.2. Результаты использования данных декодера для коррекции смещения оценки ОСШ

4 11

11 14 21 25 28

30

33

34

34 39 46 48 50

54

55

55 60

3.3. Влияние ошибок синхронизации и разбаланса на оценку

осш

3.4. Учет влияние аппаратной реализации приемника

3.5. Программно-аппаратная реализация алгоритмов оценки ОСШ и ВБО

3.6. Краткие выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ФРАГМЕНТЫ ИСХОДНЫХ КОДОВ И КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ

63 73

76

77 79 90

100

I

1

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Прошло чуть больше столетия с момента появления первых систем радиосвязи, изобретенных A.C. Поповым, Г. Маркони, Н. Теслой, Э. Бранли, О.Д. Лоджем. С тех пор разработано более 90 различных типов модуляции сигналов и еще большее количество помехоустойчивых кодов, предложены методы оптимального приема и обработки радиосигналов. Основополагающий вклад в развитие радиосвязи внесли В.А. Котельников, А.Н. Колмогоров, A.A. Харкевич, А .Я. Хинчин, В.И. Сифоров, Н. Винер, К. Шеннон, С. Райе и др. Многие современные системы близки к предельной спектральной эффективности, например, такие как UMTS/W-CDMA, WiMAX, LTE, DVB-S2/T2 и др.

Сложность таких систем и все возрастающая частота смены технологий оборачивается крупными экономическими затратами. Поэтому на смену классическим аппаратным решениям приемо-передающей аппаратуры повсеместно приходят решения на основе концепции программно-определяемого радио (ПОР). В данном случае большая часть функций физического уровня реализуется программно, что значительно удешевляет и ускоряет процесс смены технологий [4, 73, 79].

Следующим этапом современного развития радиосвязи являются когнитивные радиосистемы (КРС). Такие системы представляют собой сеть ПОР-устройств, обладающую признаками искусственного

интеллекта [85,97-99]. В когнитивных радиосетях решение о частотах, полосе, типе модуляции принимается самими устройствами. Но наиболее актуальной задачей для современных систем связи является задача достижения максимальной спектральной эффективности при любом качестве канала связи [105]. Для этого необходимо иметь алгоритмы оценки параметров радиосигналов в режиме, близком к реальному времени.

Анализ литературы по методам обработки сигналов показал, что на данный момент эффективные алгоритмы оценки таких важных параметров

качества радиосигналов как отношение сигнал-шум (ОСШ) и вероятность битовой ошибки (ВБО) требуют либо наличия некоторых эталонных сигналов [72, 76], либо они узкоспециализированы для конкретных видов модуляции [75, 77].

В этой связи актуальным является разработка эффективных неэталонных алгоритмов оценки ОСШ и ВБО для цифровых видов модуляции в режиме, близком к реальному времени, что позволит быстро адаптировать систему связи к текущим условиям в канале.

Состояние проблемы. Несмотря на большое количество публикаций,

I

посвященных статистической оценке различных параметров радиосигналов, работ, посвященных именно оценке ОСШ, не так много. Большой вклад в обобщение результатов и разработку измерителей ОСШ внесли И.Т. Рожков [57], В.П. Шувалов [70], В.Е. Бухвинер [2] и др. Среди зарубежных ученых стоит отметить таких исследователей, как David R. Pauluzzi [101], Norman С. Beaulieu [77], С.М. Thomas [108], R. Matzner [9495], К. Balachandran [76], М.С. Jeruchim [89], H. Arslan, [73-74] и др.

Наиболее сложной является оценка ОСШ для сигналов с аналоговыми видами модуляции [95]. Для цифровых видов задача несколько проще, т. к. хотя бы известен ожидаемый набор символов. Исторически первыми появились алгоритмы оценки ОСШ для фазовых видов квадратурной модуляции (ФМ), несколько позже - для сигналов с квадратурной амплитудной (KAM) и амплитудно-фазовой (АФМ) модуляциями. Это связано с тем, что у данных видов модуляции длина символьного вектора непостоянна.

Целыо работы является разработка и исследование алгоритмов неэталонной оценки отношения сигнал-шум и вероятности битовой ошибки для радиосигналов с квадратурными цифровыми видами модуляции.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

• сравнительный анализ существующих алгоритмов оценки ОСШ сигналов с квадратурными видами модуляции;

• исследование алгоритмов измерения вероятности битовой ошибки как основного критерия качества в современных системах связи;

• разработка алгоритма неэталонной оценки отношения сигнал/шум для цифровых сигналов с квадратурной модуляцией;

• разработка алгоритма неэталонной оценки вероятности битовой ошибки для сигналов с квадратурной модуляцией в режиме реального времени;

• сравнение разработанных алгоритмов с существующими;

• разработка рекомендаций по адаптации системы связи к текущему ОСШ или ВБО в канале.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы цифровой обработки сигналов, теории вероятностей и математической статистики. Широко использовались таюке методы компьютерного моделирования.

Объектом исследования является система оценки качества радиосигналов с цифровыми видами модуляции.

Предметом исследований являются эталонные и неэталонные алгоритмы оценки таких параметров радиосигналов, как отношение сигнал/шум и вероятность битовой ошибки.

Научная новизна

1. Разработан алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с квадратурными цифровыми видами цифровой модуляции на основе вектора ошибок.

2. Разработаны модификации алгоритма оценки ОСШ на основе вектора ошибок с учетом оценки мощности принятого сигнала и данных декодера.

3. Разработан алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой (символьной) ошибки для сигналов с квадратурной цифровой модуляцией на основании измерения отношения сигнал/шум.

Практическая значимость

1. Разработанный алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум позволяет производить быстрое принятие решение о смене вида или порядка модуляции для обеспечения максимально возможной спектральной эффективности или поиска наилучшего канала связи в доступном диапазоне частот, опираясь на измеренное значение ОСШ. Для модуляции КАМ-16, например, обработка 1600 символов дает оценку ОСШ с погрешностью не более 0,5 дБ.

2. Предложенный алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой ошибки позволяет существенно повысить скорость определения этого параметра по сравнению с классическими алгоритмами. Например, для модуляции КАМ-16 и скорости битового потока 2048 кбит/с вероятность битовой ошибки 10"5 классическим алгоритмом будет оценена за 0,5 с, а предложенным с той же точностью - за 0,1 с.

3. Предложенные переходы между различными видами модуляции в зависимости от текущего ОСШ в канале могут быть использованы в адаптивных системах связи для обеспечения максимальной спектральной эффективности.

Результаты работы внедрены в соответствующие разработки ОАО «Ярославский радиозавод» и ООО «А-Вижн» (г. Ярославль). Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ЯрГУ в рамках дисциплины «Беспроводные сети связи», а также в научно-исследовательские работы при выполнении исследований в рамках грантов по программе «УМНИК» (договор № 5/2010 от 1 апреля 2010 г.) и гранта РФФИ №10-08-01186-а «Разработка методов оценки качества видеоинформации». Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Личный вклад автора. Выносимые на защиту положения предложены и реализованы автором самостоятельно в ходе выполнения научно-исследовательских работ на кафедре динамики электронных систем Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова.

Достоверность материалов диссертационной работы подтверждена результатами компьютерного моделирования, демонстрирующими эффективность предложенных алгоритмов в задачах оценки параметров радиосигналов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 12,13,14 Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2010-2012;

• 1 Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны», Пенза, 2011;

• XVIII, XIX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2012-2013;

• 17 Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 2012;

• 1-2 Всероссийской конференции «Радиоэлектронные средства передачи и приема сигналов и визуализации информации», Москва-Таганрог, 2011-2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций [18,20], 6 в рецензируемых сборниках трудов [14-16,19,21,24], подана заявка на регистрацию программного обеспечения (ПО) для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Содержание работы изложено на 104 страницах. Список литературы включает 116 наименований. В работе представлено 52 рисунка и 3 таблицы.

В первой главе приводится модель цифровой системы радиосвязи, ставится задача оценки ОСШ и ВБО, проводится сравнительный анализ алгоритмов оценки ОСШ и ВБО для цифровых видов модуляции, приводятся варианты их классификации, анализируются различия в границе Рао-Крамера для эталонных и неэталонных алгоритмов оценки.

Во второй главе рассматривается алгоритм оценки ОСШ на основе вектора ошибок, приводится сравнение и анализ его эффективности по отношению к известным алгоритмам. Затем освещаются вопросы оценки ВБО на основе измерения ОСШ. Приводится также сравнение скорости и точности работы классических алгоритмов измерения ВБО и предложенного.

В третьей главе описываются несколько модификаций предложенного алгоритма оценки ОСШ, позволяющие улучшить результат его работы. В частности, за счет дополнительной оценки мощности принимаемого созвездия с использованием цифровой системы автоматической регулировки усиления (АРУ), а таюке с учетом данных декодера, что позволило уменьшить смещение получаемой оценки. Кроме того, рассматриваются вопросы практической реализации предлагаемых алгоритмов.

В заключении подводятся итоги выполненной работы и указываются возможные сферы внедрения полученных результатов.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с многоуровневыми квадратурными видами модуляции (KAM, ФМ, АФМ).

2. Модифицированный алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с многоуровневыми квадратурными видами модуляции (KAM, ФМ, АФМ), учитывающий данные декодера.

3. Алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой (символьной) ошибки для сигналов с квадратурными видами модуляции в режиме реального времени.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю - д.т.н., доценту Приорову А.Л., а так же заведующему кафедрой динамики электронных систем Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, д.т.н., профессору Брюханову Ю.А.

Благодарю своих коллег по лаборатории «Цифровые цепи и сигналы» за формирование взглядов в совместной работе.

Отдельная благодарность родным и знакомым за предоставленную возможность заниматься научной деятельностью.

!

!

1

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РАДИОСИГНАЛОВ

1.1. Основные критерии качества радиосигналов

Современные цифровые системы связи требуют высокой скорости передачи данных: от нескольких Мбит/с и выше. Чтобы обеспечить такую скорость передачи в ограниченной полосе канала, используются квадратурные многоуровневые виды модуляции (манипуляции), главным образом - квадратурная амплитудная модуляция (КАМ), многоуровневая фазовая модуляция (ФМ), многоуровневая амплитудно-фазовая модуляция (АФМ) и др. На основе базовых типов модуляции строятся более сложные сигналы, например, сигналы с ортогональными несущими (СОН) [1].

Традиционно качество работы цифровой системы связи характеризуется вероятностью битовой (ВБО) или символьной (ВСО) ошибки [2]. На практике эти вероятности могут быть оценены как отношения ошибочно принятых битов или символов к общему их количеству. Наличие любых искажений сигнала в канале связи сразу же отражается на ВБО и ВСО, поэтому эти характеристики можно считать основными, а все остальные оценки качества канала связи или качества самих сигналов -вспомогательными. Для каждой системы существует свое пороговое значение битовой ошибки, при превышении которого она работать не будет. Если речь идет о тестировании, например приемника, измерение ВБО или ВСО позволяет однозначно ответить на вопрос, проходит устройство тест или нет.

Однако с практической точки зрения у этих показателей качества есть недостатки:

• они не содержит информации о возможной причине происходящих ошибок;

• их сложно определить на приемной стороне, не зная исходной битовой последовательности;

• для набора статистики может потребоваться достаточно большое время, зависящее от самих величин ВБО или ВСО.

Беспроводные системы связи (БСС) наиболее подвержены воздействию различных искажений. Типичные значения ВБО некодированных сигналов для них составляют 10"2-10"3, для проводных - 10"5-10'6, для оптических -10п-10"12 [3,5].

Еще одним классическим критерием качества аналоговых и цифровых сигналов является отношение сигнал-шум. Однако существует несколько способов определения этого отношения. Классическое ОСШ - это отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума в полосе сигнала. Под сигналом подразумевается видеосигнал, сосредоточенный в низкочастотной части спектра (до модулятора в передатчике или после демодулятора в приемнике). Отдельно можно выделить ОСШ для радиосигналов, т. е. сигналов, имеющих несущую частоту. Обозначим его ОСШн. Данный критерий показывает отношение средней мощности несущей (или радиосигнала) к средней мощности шума в шумовой полосе (после модулятора в передатчике или до демодулятора в приемнике).

Основным недостатком этих критериев качества является то, что они не учитывают внутриполосные искажения сигнала [82]. Поэтому даже при высоких значениях ОСШн сигнал может быть искаженным. Эти критерии являются естественными для оценки качества аналоговых сигналов.

Для цифровых сигналов естественными мерами качества являются отношения Еь/Ы0 или Е3/, показывающие соответственно отношения энергии бита Еь или символа Е3 к спектральной плотности мощности (энергии) шума Ы0. Однако они почти никак не характеризуют отдельные особенности сигналов, в частности квадратурных, хотя широко используются на практике.

Естественной мерой искажения квадратурных сигналов является мера

отклонения точек созвездия от своих оригинальных положений [74]. Такие

критерии качества известны из литературы и носят названия среднего

12

вектора ошибки (СВО) и коэффициента ошибок модуляции (КОМ). Зарубежные аналогии названий данных критериев - Error Vector Magnitude (EVM) и Modulation Error Ratio (MER) соответственно [82]. Достоинство этих критериев заключается в том, что они позволяют оценить не только ОСШ, но и возможный тип искажения сигнала. Более подробно эти критерии будут разобраны во 2 главе.

Цифровым БСС в отличие от аналоговых более свойственен пороговый эффект. Он заключается в том, что при ухудшении ОСШ качест