автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Повышение эффективности передачи информации в цифровых системах технологии CDMA

На правах рукописи

Скребкова Юлия Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГИИ СВМА

05.13.17 - Теоретические основы информатики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□031В2440

Москва 2007

003162440

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Радиотехника и электросвязь»

Научный руководитель. доктор технических наук, профессор

Волков А.А

Официальные оппоненты; доктор технических наук, профессор

Венедиктов М.Д

кандидат технических наук Миронов К В.

Ведущая организация. государственное унитарное предприятие

Российский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи Министерства путей сообщения Российской Федерации (ВНИИАС МПС России)

Защита состоится «9» ноября 2007 г. в /3 ч. "¿Умин, на заседании диссертационного совета Д 218.005 04 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127 994, г Москва, ул Образцова, д 15, ауд. 4518.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять по адресу Совета университета.

Автореферат разослан « 2 •> октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.04, к тн., доцент I Казанский Н.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время на сети железных дорог России сложилась сложная ситуация с сетями беспроводного доступа (прежде всего, с сетями технологической радиосвязи) В эксплуатации находится более 183 тысяч радиостанций, среди которых около 50% выработали свой ресурс, а более 40% — не соответствуют установленным требованиям. Это системы первого поколения - системы с частотным разделением каналов (РВМА).

В программе развития цифровых вторичных сетей связи железнодорожного транспорта предусмотрена и модернизация сетей беспроводного доступа (сетей технологической радиосвязи) Одним из её направлений является создание цифровых систем радиосвязи - систем второго поколения с временным разделением каналов (ТОМА).

Основными целями создания цифровых систем беспроводного доступа являются решение задач информационного и технологического перевооружения железнодорожного транспорта, информационного сопровождения скоростного и высокоскоростного движения поездов, создание многоуровневой комплексной системы безопасности движения поездов, развитие услуг для пассажиров и клиентов железнодорожного транспорта в части информационных услуг и мониторинга перевозок.

В настоящее время на железнодорожном транспорте прошли испытания цифровые системы связи таких стандартов как ОЗМ-И. и ТЕ'ГЙА, относящиеся к системам второго поколения, которые показали хорошие результаты Однако более перспективными являются системы третьего поколения - многоканальные широкополосные системы с шумоподобными сигналами (ШПС), в которых используется кодовое

разделение каналов (CDMA) Перспективность их обусловлена тем, что ШПС обеспечивает возможность

- повышения помехоустойчивости приема сигналов при воздействии как аддитивных, так и мультипликативных помех,

-ведения устойчивого приема при уровне ШПС ниже среднего уровня помех (скрытность передачи),

- уменьшения вредного воздействия на человека (оператора) электромагнитного поля,

- более точного измерения параметров движения объекта (координаты, скорости, направления и др),

- работы в занятых диапазонах частот, поскольку селекция сигналов осуществляется по форме;

- наиболее полного использования частотного ресурса

Эти достоинства тем выше, чем больше основной параметр ШПС -их база B = FT, где F - полоса частот ШПС, а Т - длительность элементарной посылки передаваемого цифрового сигнала.

Увеличить базу за счет увеличения ширины полосы частот не удается ввиду того, что частотный ресурс дефицитен и острота дефицита растет с каждым годом. Увеличение базы возможно за счет увеличения длительности элементарной посылки Т, что приводит к необходимости до сих пор не реализованного деления полосы частот речевого сигнала.

Целью работы является повышение показателей эффективности систем с ШПС за счет увеличения их базы в заданной полосе частот для обеспечения высоконадежной обработки информации в информационных коммуникациях

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи1

-разработка метода увеличения базы ШПС в заданной полосе частот,

- уточнение расчета значений погрешностей в определении параметров движения объекта с помощью ШПС, в скрытности передачи ШПС и других показателей эффективности;

- разработка более эффективных по сравнению с известными систем с ШПС;

- уменьшение погрешности временной синхронизации ШПС.

Исходная основа диссертации. Диссертация основывается на

результатах:

- фундаментальных работ теории информации Агеева Д.В, Котельникова В.А., Шеннона К. и других;

-теоретических и прикладных исследований ШПС Варакина Л.Е., Калмыкова В В., Петровича Н Т., Смирнова Н.И. и других;

- исследований средств и систем передачи цифровой информации с помощью ШПС Баранова Л А , Бенедиктова М Д., Волкова А.А, ГореловаГ.В., ЖуравлеваВИ, МироноваК.В., ФоминаА.Ф. и других.

Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, имитационного и математического моделирований, положения теории помехоустойчивости приема информации и теории случайных сигналов.

Научная новизна диссертации определяется следующими результатами:

- предложен способ и устройство увеличения в два раза базы ШПС в заданной полосе частот, новизна которых защищена патентами РФ;

- уточнены формулы определения погрешностей параметров движения объекта, увеличения скрытности передачи ШПС,

позволившие определить численные значения выигрышей по этим показателям за счет увеличения в два раза базы ШПС;

-определен выигрыш в помехоустойчивости предложенной системы с увеличенной в два раза базой ШПС и частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ-ШПС);

- получена формула и экспериментальное значение модуляционной характеристики частотно-модулированного автогенератора (ЧМГ), с помощью которого осуществляется синхронизация ШПС.

Практическая значимость работы определяется следующим*

- разработаны модели передатчика и приемника системы с ШПС с увеличенной в два раза базой сигнала в заданной полосе частот в которых реализованы выигрыши в 1,41 раза и больше,

-для нелинейной фильтрации помех на выходе приемника ШПС разработано микроконтроллерное устройство с набором перестраиваемых нелинейностей, каждая из которых обеспечивает максимальное отношение сигнал-шум при определенной плотности распределения вероятностей (ПРВ) помех. Подавление помех с помощью такого устройства составляет более 1,41 раза

- для минимизации энергетических потерь системы с ШПС предложен и разработан гармонический частотно-модулированный автогенератор (ЧМГ) с максимально стабильной и линейной модуляционной характеристикой.

Апробация результатов работы выполнена на заседаниях кафедры «Радиотехника и электросвязь» МИИТа, а также - на конференциях:

-Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика». Москва, МЭИ, 2005 г.;

-Научно-техническая конференция «Неделя науки-2005» Москва, МИИТ, 2005 г.,

-Научно-техническая конференция «Неделя науки-2006» Москва, МИИТ, 2006 г

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в компаниях ООО «АКСИОН-РТИ», ООО «Фирма ИБП ТРАНС» и в учебном процессе на кафедрах «Радиотехника и электросвязь» МИИТа и «Транспортная связь» РГОТУПС, что подтверждено соотвествующими актами

Публикации. По результатам диссертации получено 4 патента на полезные модели и опубликовано 8 статей, в которых изложено основное содержание диссертации

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 65 наименований, приложения. Работа содержит 120 страниц основного текста, 40 рисунков и 1 таблицу

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приводится краткий анализ современного состояния исследуемых вопросов, формулируется цель и задачи исследования

Первая глава содержит аналитический обзор литературных источников по системам беспроводного доступа Рассматривается их эволюция начиная с аналоговых и заканчивая цифровыми последнего поколения, которые внедряются, в том числе, и на железнодорожном транспорте.

Проведенный в главе анализ показал, что наиболее перспективным направлением совершенствования систем беспроводного доступа является использование технологии CDMA. В рамках этой технологии достигается существенное повышение эффективности передачи и приема информации с помощью ШПС а именно— частотной эффективности в заданной полосе частот,

- помехоустойчивости;

- временной синхронизации,

- скрытности передачи

Во второй главе разработан формирователь ШПС с увеличенной в два раза базой, повышающей эффективность системы с ШПС. Новизна формирователя защищена патентом РФ на полезную модель [9]

База увеличивается за счет деления полосы частот речевого сигнала в два раза. На рис 1 представлена упрощенная структурная схема устройства, реализующего эту операцию

В известную схему передатчика ШПС введены дополнительные элементы формирователь однополосного речевого сигнала с разделенной пополам полосой частот (ФОС0 5), генератор Г вспомогательной несущей

частоты, когерентный детектор (КД), опорный вход которого соединен с выходом генератора Г через делитель частоты 2

В блоке ФОС0 5 по речевому сигналу b(t) = U(l)ca&<p(t), где U(t) -

огибающая, a <p{t) - фаза, формируется однополосное аналоговое колебание с разделенной пополам полосой частот ыфос(0 - ЩО00155[cot + <p(t)], которое поступает на информационный вход когерентного детектора КД На опорный вход КД подается колебание «<,(/) = £/cos 0,5а>? Блок КД состоит из последовательно соединенных перемножителя сигналов и фильтра нижних частот (ФНЧ) Таким образом, на выходе перемножителя будет присутствовать колебание

un(t) = ифос(0 и0(0 = £/(/)cos0,5[®/ + (p{t)\- U cos0,5®/ = = 0,5UU(t)cosQ,5<p(t) + 0,5t/i/(i)cos0,5[2ra/ + (p{t)\

На выходе ФНЧ присутствует только первое слагаемое колебания (1}, то есть речевой сигнал с разделенной пополам полосой частот, который далее поступает на низкочастотный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Дискретизация по времени речевого сигнала в АЦП согласно теореме Котельникова в этом случае может осуществляться с частотой 4 кГц вместо стандартной 8 кГц, что в два раза повышает частотную эффективность

Структурная схема делителя полосы частот речевого сигнала и временные диаграммы его работы представлены на рис. 2 и рис. 3 соответственно Обозначения на рис. 2. АС - источник аналогового сигнала, ФОС - формирователь однополосного речевого сигнала, ФВ-фазовращатель на 90°, £ - сумматор, ДО-детектор огибающей, УО-

усилитель-ограничитель амплитуды, П - перемножитель, ДФ -дифференцирующая цепь, ТГ - триггер, ДЧ - делитель частоты в два раза.

ФВ

и(0 = и(0совр(0

ЧфВ(0

УО

дц

«вдОО

ии

ТГ

АС ФОС \ I \, п кд

ДО

иг = и СО

Вых

идч(0=: исо&0,5т^

ДЧ

Рис.2

С целью дальнейшего исследования предложенного формирователя ШПС уточнены формулы определения показателей эффективности системы, которые выражаются через базу сигнала В К таким показателям относятся- ошибки в определении параметров движения объекта (координаты и скорости),

- способность подавления боковых пиков функции корреляции ШПС,

- скрытность системы;

- уровень взаимных помех и др.

Рис 3

Уточненные показатели эффективности - ошибка в определении координаты

в, =

1

(2)

- ошибка в определении скорости

сг/ =

42ВрТ'

(3)

где р - отношение мощности сигнала к мощности помехи на входе приемника,

В разработанном формирователе база В увеличена в два раза за счет увеличения Т при F = const. Если использовать п последовательно соединенных делителей полосы частот, то выигрыш в определении

координаты составит = sf^F раз. а в определении скорости -v_ =2* <Jl" раз (рис. 4)

Уточнена формула определения времени обнаружения ШПС,

To6h=j 452

(4)

При увеличении В в 2" раз или В2 = (2И)2 -22" время обнаружения увеличивается, а выигрыш в параметрической скрытности системы с ШПС составит у = 22" раз (см рис 4)

Увеличение базы сигнала В в 2" раз увеличивает подавление боковых пиков функции корреляции ШПС в раз, увеличивает помехоустойчивость приема - в 2" раз, уменьшает уровень взаимных помех, улучшает электромагнитную совместимость разрабатываемой системы с узкополосными

В главе гакже рассмотрен пассивный апериодический фазовый манипулятор ШПС-переносчиков, новизна которого защищена патентом РФ на полезную модель [10].

Третья глава посвящена повышению помехоустойчивости приема ШПС В ней разработан приемник ШПС с увеличенной базой сигнала в два раза в заданной полосе частот На рис 5 представлена упрощенная структурная схема такого приемника Ее новизна подтверждена патентом РФ на полезную модель [12].

Рис.5

В известную схему приемника ШПС введены дополнительные элементы, формирователь однополосного сигнала ФОС с разделенной пополам полосой частот, генератор вспомогательной несущей частоты Г, подключенный к высокочастотному входу формирователя, два удвоителя частоты х2, когерентный детектор КД, информационный вход которого соединен с выходом формирователя однополосного сигнала через один

удвоитель частоты, а опорный вход - с выходом генератора вспомогательной несущей частоты через второй удвоитель

Для увеличения помехоустойчивости приема разработан идеальный полосовой ограничитель ШПС. Его новизна подтверждена патентом РФ на полезную модель [11]. В диссертации проводится анализ процессов протекающих в разработанном ограничителе.

В общем случае оптимальным подавителем помех является нелинейный четырехполюсник (НЧП), характеристика которого

определяется известной формулой zJri)---Ьш (и), где со „(и) -

an

одномерная плотность распределения вероятностей (ПРВ) помехи.

Коэффициент подавления лапласовской помехи К^ = 2, гауссовской помехи = 1, для других помех величина >2.

Поскольку трудно реализовать один НЧП, перестраиваемый под разные ПРВ, в работе предложено использовать для разных ПРВ несколько таких НЧП, входы которых соединены между собой в один, а их выходы -раздельные. Если на их входы будут поступать ШПС с помехами, обладающими разными ПРВ, то на выходах этих элементов будут разные отношения мощности сигнала к мощности шума (ОСШ) Восьмиразрядным микроконтроллером ATMEGA-16 с RISC архитектурой выбирается наибольшее ОСШ Принципиальная схема такого устройства представлена на рис 6

ППУ1

ППУ2 Г*" ^ JU

ППУЗ р»-■-► J-

J?

ППУ8 — |»

В JT

[1=100 Ом

С1=0,1 мкФ Рис. 6

Для увеличения помехоустойчивости приема ШПС предложено использовать в качестве первичной, вместо известной широтно-импульсной (ШИМ-ШПС), проще реализуемую частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ-ШПС) Схема приемника сигналов ЧИМ-ШПС представлена на рис. 7. На рисунке обозначено. Пр - приемник, УПЧ -усилитель промежуточной частоты, Г - генератор, С - синхронизатор, СД - синхронный детектор, ГШПС - генератор ШПС, УОА - усилитель-ограничитель амплитуды, ДЦ - дифференцирующая цепь, ДВ-двухполупериодный выпрямитель, ОВ - едновибратор, ИФ -интегрирующий фильтр нижних частот, представляющий собой КС -цепь. Пунктирной линией на схеме обозначена вторая ступень демодуляции (ЧИМ сигналов).

Работа этой ступени приемника ЧИМ поясняется временными диаграммами на рис. 8

0 1

+5 в

UMK =9-15 В

0805

т

10

11

РВО РВ1

Р87

VD0 VSS

ADC1 ADC2 ADC3 ADC4 ADC5 ADC6 ADC7

О) ADC8

5

ж

гп

о >

AREF AVCC

Г

F

Чл

Л

А)—14|—

— Пр -4\шч

сд

УОА

дц

ДВ

ов

ИФ

гшпс

Ряс. 7

Представляет интерес оценка помехоустойчивости приема ЧИМ-ШПС Вторая ступень демодуляции, осуществляющая интегральный

прием ЧИМ сигналов, является линейной, как и первая Поэтому предложено помехоустойчивость приема ЧИМ-ШПС оценивать с помощью произведения выигрышей каждой ступени gl и g2, исходя из известной оценки обобщенного выигрыша g' = g{ g'2 ■

Поскольку gj и g2 = —, где ах = ^Хех- и а2 - , то

«1 «2 Щеш

g¡=g¡g2r (5)

Подставив известные значения gt =2В, g2 = 2TF, Ais

у = —= г • ЛF2eba, где г - длительность элементарной посылки ШПС-

переносчика, a AF2eta - ширина полосы частот помехи на выходе

интегрирующего фильтра, получим обобщенный выигрыш системы с ЧИМ-ШПС:

¿чш-шпс = ЬВТРт Щеьа (6)

Таким образом, с увеличением базы В в два раза, обобщенный выигрыш, характеризующий помехоустойчивость приема ЧИМ-ШПС тоже увеличится в два раза

Показано, что среднее значение энергетических потерь ШПС определяется среднеквадратическим значением ошибки временной синхронизации, то есть точностью системы, следящей за задержкой ШПС.

Четвертая глава посвящена повышению эффективности временной синхронизации в приемнике ШПС и уменьшению энергетических потерь системы с ШПС.

Известно, что энергетические потери системы с ШПС минимальны если модуляционная характеристика ЧМГ временного синхронизатора ее приемника максимально линейная и устойчивая во времени. Такими показателями обладает гармонический ЧМГ, реактивным управителем которого является не варикап, как обычно, а конденсатор постоянной емкости, подключенный к колебательному контуру через два коммутируемых диода, работающих в ключевом режиме

В диссертации получена формула модуляционной характеристики (МХ)ЧМГ

& = -

1 + -

03 „

1 2(е

С

2 яК.и) 2 ж{и

Л'

(7)

где ю0 = , * ... - резонансная частота колебательного контура

чмг,

ет - модулирующее низкочастотное напряжение; V - амплитуда автоколебаний ЧМГ при гт - 0; С - постоянная емкость

На рис. 9 представлен график МХ —=/ — и график зависимости

©о {и]

- -

/ — при — = 1, где Су - управляющая емкость. Из рисунка

видно, что линейный участок модуляционной характеристики составляет А ф„ = 0,11 &0. Коэффициент нелинейных искажений на этом участке МХ

целесообразно и проще определить по кривой , так как она параллельна МХ. В диссертации показано, что этот коэффициент по третьей гармонике*

К

Л 1

•Щс. 26'

(8)

где тс - коэффициент модуляции емкости С

Таким образом, из (8) следует, что при тс = 0,5 значение К/3 будет

менее 1%, соответственно, указанный линейный участок МХ позволяет иметь максимальную глубину модуляции, значительно большую чем при использовании реактивного управителя, выполненного на варикапе.

Пятая глава посвящена повышению энергетической скрытности ПШС.

Уточнена формула вероятности ошибки приема:

Показано, что с увеличением базы В в два раза число одновременно работающих станций NAC с уровнем сигнала ниже уровня шумов возможно увеличить тоже в два раза при сохранении заданного значения

На основании проведенных в диссертационной работе исследований и разработок получены следующие основные результаты:

- разработаны способ и устройство увеличения базы шумоподобных сигналов (ШПС) в два раза в заданной полосе частот за счет сжатия в два раза полосы частот речевого сигнала, что позволяет увеличить помехоустойчивость приема ШПС в два раза. Новизна разработки защищена патентом РФ на полезную модель [12],

- уточнены формулы определения показателей эффективности системы с ШПС, на основании которых определены численные значения выигрышей по этим показателям за счет увеличения базы ШПС в два раза предложенным способом. Погрешность в определении координаты объекта уменьшилась в у/2 раз, в

(9)

} * __

где Ф(х) = -т= 2 Ш - интеграл вероятности.

¡я

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

определении скорости движения объекта уменьшилась в раз, длительность обнаружения ШПС увеличилась в два раза;

- разработана схема пассивного апериодического фазового манипулятора ШПС на 180°, новизна которого защищена патентом РФ на полезную модель [10],

-предложено для повышения помехоустойчивости приема ШПС использовать набор переключаемых нелинейных четырехполюсников (НЧП), обеспечивающих выбор максимального отношения мощности сигнала к мощности шума при различных плотностях распределения вероятностей (ПРВ) помех в канале Подавление помех в этом случае увеличивается более чем в два раза;

- для увеличения помехоустойчивости приема информации предложено преобразовывать аналоговую ЧМ в приемнике сигналов ЧМ-ШПС в частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ-ШПС);

-предложена методика определения помехоустойчивости приема ЧИМ-ШПС;

- предложено в системе автоматической подстройки времени (АПВ) синхронизатора приема ШПС использовать частотно-модулированные автогенераторы (ЧМГ), в которых управляющий элемент подключен к колебательной системе через коммутируемые диоды Такие ЧМГ обеспечивают высокую стабильность модуляционной характеристики и тем самым уменьшают погрешность временной синхронизации ШПС и энергетические потери системы;

-показано, что предложенное увеличение базы ШПС в два раза позволяет увеличить число одновременно работающих станций с

сигналами ниже уровня помех при заданной вероятности ошибки их приема.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ И ИЗОБРЕТЕНИЯХ

1 Волков А А., Скребкова Ю В Приемник нестандартных шумоподобных сигналов // Автоматика, связь, информатика, 2007, №8, с 24

2. Волков А.А, Скребкова Ю В. Помехоустойчивость цифровой системы с кодовым разделением каналов с использованием частотно-импульсной модуляции // BKCC-Connect. - 2007, № 2, с. 148-151.

3. Скребкова Ю.В , Писарева С.Н. Широкополосная нагрузка для цифровой системы CDMA Материалы НТК «Неделя науки 2007». -М.: МИИТ, 2007, VI-5

4 Курганова Ю В , Черток В В, Приемник ШПС с удвоенной базой в заданной полосе частот Материалы НТК «Неделя науки 2005» - M • МИИТ, 2006, VI-42

5 Курганова Ю В , Беликова И А Формирователь ШПС с увеличенной в 2 раза базой в заданной полосе частот. Материалы НТК «Неделя науки 2005» -М • МИИТ, 2006, VI-5.

6. Kurganova Ju V. and other. Actual questions of telecommunication systems and networks research Advances in Electrical and Electronic Engineering, Slovakia, Zilina. - 2006 №3 P.421-425

7 Курганова Ю В Нелинейная обработка шумоподобных сигналов // Статьи аспирантов кафедры "Радиотехника и электросвязь http://www mut ru/institut/isute/faculties/re/articles_l.htm

8 Курганова Ю В , Волков А А Спектральная плотность мощности шумоподобных сигналов на выходе нелинейного спутникового ретранслятора Материалы 11-й Международной НТК студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика» Тезисы докладов. -M.' МЭИ, 2005 г, с 38-40

9. Волков А А , Кузнецов С Н, Курганова Ю В Передатчик шумоподобных сигналов // Патент на полезную модель №53521 Приоритет от 17 11.2005

10. Волков А.А., Курганова Ю В., Тихонов Е.П. Пассивный апериодический фазовый манипулятор на 180° // Патент на полезную модель №51806 Приоритет от 14 11.2005.

11. Волков А.А, Курганова Ю В. Идеальный полосовой ограничитель амплитуды шумоподобных сигналов // Патент на полезную модель № 50357 Приоритет от 24 06 2005

12 Волков А А, Кузнецов С.Н, Курганова Ю В Цифровая система связи с фазоманипулированными ШПС // Патент на полезную модель №47603 Приоритет от 01.04 2005.

Скребкова Юлия Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГИИ CDMA

05.13 17 - Теоретические основы информатики

Подписано в печать - £>2^ /Л 0¥. Уел -печ л. - 1,5

Печать офсетная. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж80экз Заказ__

Типография МИИТ, 127 994, г Москва, ул. Образцова, д, 15

Содержание.

Глава 1. Состояние вопроса. Обзор и анализ литературных источников по системам железнодорожной радиосвязи.

1.1. Эксплуатируемые системы технологической железнодорожной радиосвязи.

1.2. Внедряемые железнодорожные цифровые системы радиосвязи второго поколения TDMA.

1.3. Известные системы связи с ШПС.

1.4. CDMA-третье поколение цифровых систем связи.

1.5. Выводы по главе 1.

Глава 2. Повышение частотной эффективности передачи ШПС.

2.1. Формирователь ШПС с увеличенной в два раза базой в заданной полосе частот.

2.2. Метод деления полосы частот речевого сигнала (PC).

2.3. Выигрыш в показателях качества за счет увеличения в 2 раза базы сигнала.

2.4. Метод формирования фазоманипулированного ШПС.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Повышение помехоустойчивости приема ШПС.

3.1. Приемник ШПС с увеличенной базой сигнала.

3.2. Оптимальная нелинейная обработка ШПС в приемнике.

3.3. Исследование нелинейных и переходных искажений при амплитудном ограничении ШПС.

3.4. Исследование помехоустойчивости приема сигналов ЧИМ-ШПС

3.5. Энергетические потери при приеме ШПС.

3.6. Выводы по главе 3.

Глава 4. Повышение частотной эффективности временной синхронизации ШПС.

4.1. Система синхронизации ШПС.

4.2. Частотно-модулированный автогенератор на LC-контуре.

4.3. Частотно-модулированный автогенератор, минимизирующий энергопотери системы передачи информации ШПС.

4.4. Стабилизация модуляционной характеристики частотно-модулированного автогенератора.

4.5. Оптимальный квазикогерентный приемник с поиском ШПС по времени и по частоте.

4.6. Выводы по главе 4.

Глава 5. Повышение скрытности передачи ШПС.

5.1. Анализ скрытности передачи ШПС.

5.2. Скрытность широкополосных передач в реальных каналах связи.

5.3. Увеличение числа скрытных каналов с ШПС в заданной полосе частот.

5.4 Выводы по главе 5.

Этим определяется актуальность работы.

Целью работы является повышение показателей эффективности систем с ШПС за счет увеличения их базы в заданной полосе частот для обеспечения высоконадежной обработки информации в информационных коммуникациях.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

-разработка метода увеличения базы ШПС в заданной полосе частот.

- уточнение расчета значений погрешностей в определении параметров движения объекта с помощью ШПС, в скрытности передачи ШПС и других показателей эффективности.

- разработка более эффективных по сравнению с известными систем ШПС.

- уменьшение погрешности временной синхронизации ШПС.

Научная новизна диссертации определяется следующими результатами:

- предложен способ и устройство увеличения в два раза базы ШПС в заданной полосе частот, новизна которых защищена патентами РФ;

- уточнены формулы определения погрешностей параметров движения объекта, увеличения скрытности передачи ШПС, позволившие определить численные значения выигрышей по этим показателям за счет увеличения в два раза базы ШПС.

- определен выигрыш в помехоустойчивости предложенной системы с увеличенной в два раза базой ШПС и частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ-ШПС).

-получена формула и экспериментальное значение модуляционной характеристики частотно-модулированного автогенератора (ЧМГ), с помощью которого осуществляется синхронизация ШПС.

Практическая значимость работы определяется следующим:

- разработаны модели передатчика и приемника ШПС с увеличенной в два раза базой сигнала в заданной полосе частот, в которых реализованы выигрыши в 1,41 раза и больше.

-для нелинейной фильтрации помех на выходе приемника ШПС разработано микроконтроллерное устройство с набором перестраиваемых нелинейностей, каждая из которых обеспечивает максимальное отношение сигнал-шум при определенной плотности распределения вероятностей (ПРВ) помех. Подавление помех с помощью такого устройства составляет более 1,41 раза.

- Для минимизации энергетических потерь системы с ШПС предложен и разработан гармонический частотно-модулированный автогенератор (ЧМГ) с максимально стабильной и линейной модуляционной характеристикой.

Исходная основа диссертации. Диссертация основывается на результатах:

-фундаментальных работ теории информации Агеева Д.В., Котельникова В.А., Шеннона К. и других;

-теоретических и прикладных исследований ШПС ВаракинаJI.E., Калмыкова В.В., Петровича Н.Т., Смирнова Н.И. и других;

- исследований средств и систем передачи цифровой информации с помощью ШПС Баранова J1.A., Бенедиктова М.Д., Волкова А.А., Горелова Г.В., Журавлева В.И., Миронова К.В., Фомина А.Ф. и других.

Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, имитационного и математического моделирований, положения теории помехоустойчивости приема информации и теории случайных сигналов.

Апробация результатов работы выполнена на заседаниях кафедры «Радиотехника и электросвязь» МИИТа, а также - на конференциях:

- Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика». Москва, МЭИ, 2005 г.;

-Научно-техническая конференция «Неделя науки-2005». Москва, МИИТ, 2005 г.;

-Научно-техническая конференция «Неделя науки-2006». Москва, МИИТ, 2006 г.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в компаниях ООО «АКСИОН-РТИ», ООО «Фирма ИБП ТРАНС» и в учебном процессе на кафедрах «Радиотехника и электросвязь» МИИТа и «Транспортная связь» РГОТУПС, что подтверждено соответствующими актами.

Публикации. По результатам диссертации получено 4 патента на полезные модели и опубликовано 8 статей, в которых изложено основное содержание диссертации.

5.4 Выводы по главе 5

- показано, что за счет увеличения базы сигнала в два раза возможно существенно повысить скрытность передачи ШПС;

-показано, что предложенное увеличение базы ШПС в два раза позволяет увеличить число одновременно работающих станций с сигналами ниже уровня помех при заданной вероятности ошибки их приема.

Заключение

На основании проведенных в диссертационной работе исследований и разработок получены следующие основные результаты:

- разработаны способ и устройство увеличения базы шумоподобных сигналов (ШПС) в два раза в заданной полосе частот за счет сжатия в два раза полосы частот речевого сигнала, что позволяет увеличить помехоустойчивость приема ШПС в два раза. Новизна разработки защищена патентом РФ на полезную модель [12];

- уточнены формулы определения показателей эффективности системы с ШПС, на основании которых определены численные значения выигрышей по этим показателям за счет увеличения базы ШПС в два раза предложенным способом. Погрешность в определении координаты объекта уменьшилась в 4г раз, в определении скорости движения объекта уменьшилась в раз, длительность обнаружения ШПС увеличилась в два раза;

- разработана схема пассивного апериодического фазового манипулятора ШПС на 180°, новизна которого защищена патентом РФ на полезную модель [10];

-предложено для повышения помехоустойчивости приема ШПС использовать набор переключаемых нелинейных четырехполюсников (НЧП), обеспечивающих выбор максимального отношения мощности сигнала к мощности шума при различных плотностях распределения вероятностей (ПРВ) помех в канале. Подавление помех в этом случае увеличивается более чем в два раза;

- для увеличения помехоустойчивости приема информации предложено преобразовывать аналоговую ЧМ в приемнике сигналов ЧМ-ШПС в частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ-ШПС);

-предложена методика определения помехоустойчивости приема ЧИМ-ШПС;

- предложено в системе автоматической подстройки времени (АПВ) синхронизатора приема ШПС использовать частотно-модулированные автогенераторы (ЧМГ), в которых управляющий элемент подключен к колебательной системе через коммутируемые диоды. Такие ЧМГ обеспечивают высокую стабильность модуляционной характеристики и тем самым уменьшают погрешность временной синхронизации ШПС и энергетические потери системы;

-показано, что предложенное увеличение базы ШПС в два раза позволяет увеличить число одновременно работающих станций с сигналами ниже уровня помех при заданной вероятности ошибки их приема.

1. Агеев Д.В. Основы теории линейной селекции. -Научно-технический сборник ЛЭИС, 1935, №10.

2. Алексеев А.И., Шереметьев А.Г, Тузов Г.И., Глазов Б.И. Теория и применение псевдослучайных сигналов. М.: Наука, 1969 - 365 с.

3. Артым А.Д. Теория и методы частотной модуляции. -М.: Энергия, 1961, С. 34-43.

4. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Мухин Н.П., Нахмансон Г.С. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. / Под ред. В.И. Борисова. М.: Радио и связь, 2003. -640 с.

5. БыковС.Ф., Журавлев В.И., Шалимов И.А. Цифровая телефония. Учебное пособие для ВУЗов М.: Радио и связь, 2003. - 144 с.

6. Варакин Л.Е. Системы связи с щумоподобными сигналами.- М.: Радио и связь 1985, 1985.-384С.

7. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов,- М.: Сов. радио, 1978. 304 с.

8. Величкин А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений. -М.: Сов. Радио, 1970. -296 с.

9. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи. М.: Воениздат, 1972. - 296 с.

10. Волков А.А. Радиопередающие устройства. М.: Маршрут, 2002. А.С. 1506506 (СССР) МКИ НОЗс 1/52 Формирователь однополосного сигнала / А.А. Волков Приоритет от 10.02.87.

11. Волков JI.H., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи, базовые методы и характеристики // Экотрендз, 2005.

12. Волков А.А, Курганова Ю.В. Нелинейная обработка шумоподобных сигналов // http ://www.miit.ru/institut/isute/faculties/re/public/s3 .doc

13. Волков А.А., Кузнецов С.Н., Курганова Ю.В. Передатчик шумоподобных сигналов // Патент на полезную модель №53521

14. Волков А.А., Кузнецов С.Н., Курганова Ю.В. Цифровая система связи с фазоманипулированными ШПС. // Патент на полезную модель №47603.

15. Волков А.А., Курганова Ю.В. Идеальный полосовой ограничитель амплитуды шумоподобных сигналов // Патент на полезную модель № 50357

16. Волков А.А., Курганова Ю.В., Тихонов Е.П. Пассивный апериодический фазовый манипулятор на 180° // Патент на полезную модель №51806

17. Волков А.А., Скребкова Ю.В. Помехоустойчивость цифровой системы с кодовым разделением каналов с использованием частотно-импульсной модуляции // BKCC-Connect. 2007. № 2, с. 148-151.

18. Волков А.А., Скребкова Ю.В. Приемник нестандартных шумоподобных сигналов // Автоматика, связь, информатика, 2007, №8, с. 24.

19. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. М.: Радио и связь, 2001. - 336 с.

20. Горелов Г.В, Подворый П.В. CDMA основа высокоскоростного беспроводного доступа // ВКСС. Connect! - 2006. - №2. - С. 22-23.

21. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.И. Каналообразующие устройства ж.д. телемеханики и связи. М.: Транспорт, 1994.

22. Горелов Г.В., Фомин А.Ф., Волков А.А., Котов В.К. Теория передачи сигналов на ж.д. транспорте. М.: Транспорт, 2001. С. 162-169.

23. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Трендз, 1997.

24. Диксон Р.К. Широкополосные системы. Пер. с англ./Под ред. В.И. Журавлева. М: Связь, 1979. -304с.

25. Исследование перспективных методов формирования широкополосных сигналов для достижения защищенности передачи информации // В.В. Калмыков, А.С. Кислицын, Е.М. Сухарев и др. Отчет по НИР «Перспектива-МН», МНИИС, 1999.

26. Калмыков В.В., Борисов С.А. О специальном классе нелинейных псевдослучайных исследований для системы мобильной связи с широкополосными сигналами // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, сер. Приборостроение 1997, № 4, с. 37-47.

27. Кантор Л.Я., Дорофеев В.М. Помехоустойчивость приема ЧМ сигналов. М.: Связь, 1977. - 336 с.

28. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. -М.:Госэнергоиздат, 1956. 150 с.

29. Курганова Ю.В. ЧертокВ.В. Приемник ШПС с удвоенной базой в заданной полосе частот. Материалы НТК «Неделя науки 2005». -М:. МИИТ, 2006, VI-42.

30. Курганова Ю.В., Беликова И.А. Формирователь ШПС с увеличенной в 2 раза базой в заданной полосе частот. Материалы НТК «Неделя науки 2005». -М:. МИИТ, 2006, VI-5.

31. Левин Б.Р. Теоретические основы статической радиотехники // Радио и связь, 1966.

32. М.Д.Венедиктов, А.А.Волков, Г.В.Горелов Управляемое слоговое компандирование сигналов в системах связи и вещания // Учебное пособие, МТУ СИ, МИИТ. Москва, 2003.

33. Маковеева М.М. Сигналы и помехи в системах подвижной радиосвязи. Учебное пособие. М.: МТУ СИ, 1999. -35 с.

34. Миронов К.В., Вековищев В.М. Фазовые модуляторы с большим индексом. 56-я студенческая НТК. Тезисы сообщений. -М.:МТУСИ, апрель 2001.- 104 с. С. 60-61.

35. Невдяев J1.M. CDMA: технологии доступа // Сети, 2000, №6.

36. Невдяев JI.M. Мобильная связь 3-го поколения. М.: Связь и бизнес, 2000. - 208 с.

37. Немировский А.С., Рыжков Е.В. Системы связи и радиорелейные линии. М.: Связь, 1980. -432 с.

38. Пестряков В.Б., Афанасьев В.П., Гурвиц B.JI. и др.; под ред. Пестрякова В.Б. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. -М.: Сов. радио, 1973. -424 с.

39. Петрович Н.Т. Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами,- М.: Сов. радио, 1969.- 232 с.

40. Прокис Д.Ж. Цифровая радиосвязь. / Пер. С англ. Под ред. Д.Д. Кловского. М.:Радио и связь, 2000. -798 с.

41. Пышкин И.М., Дежурный И.И., Талызин В.Н., Чвилев Г.Д.; под редакцией Пышкина И.М. Системы подвижной радиосвязи. М.: Радио и связь, 1986. -328 с.

42. Радиотехнические системы передачи информации / Под ред. В.В.Калмыкова. М.: Радио и связь, 1990.-304 с.

43. Семенов A.M., Сикарев А.А. Широкополосная радиосвязь // ОТКЗ Военное издательство Министерства обороны СССР, Москва, 1970

44. Сикарев А.А., Фалько А.И. Оптимальный прием дискретных сообщений. М.: Связь, 1978. - 328 с.

45. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. / Пер. С англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2003.- 1104 с.

46. Скребкова Ю.В., Писарева С.Н. Широкополосная нагрузка для цифровой системы CDMA. Материалы НТК «Неделя науки 2007». -М:. МИИТ, 2006, VI-5.

47. Смирнов М.И., Горгадзе С.Ф. Оценка эффективности использования мощности нелинейного бортового ретранслятора в системах передачи информации и с кодовым разделением каналов // Электросвязь, 1995, с. 2124.

48. Смирнов Н.И. Мобильная сеть России на пути к переходу к 3G. Программа и тезисы докладов конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы" 27 ноября 2002 г., Москва, РИО МТУСИ. С. 126-128.

49. Смирнов Н.И. Проектирование микроэлектронных устройств обработки шумоподобных сигналов. Часть 1. Корреляционные свойства ШПС. Учебное пособие. М/.МЭИС. 1988. -40с.

50. Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов. -М.:Сов. радио, 1977 400 с.

51. Тузов Г.И., Сивов В.А., Прытков В.И. и др.; под ред. Тузова Г.И. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. -М.: Радио и связь, 1985. -256 с.

52. Уткин Г.М. и др. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ. Учебное пособие. -М.:Сов. радио, 1979г.-320с.

53. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. / Пер. с англ. Под ред. В.П. Журавлева. М.: Радио и связь, 2000, -520 с.

54. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов радио, 1970. 728 с.

55. Фомин А.Ф., Ваванов Ю.В. Помехоустойчивость систем ж.д. радиосвязи. -М.: Транспорт, 1987.

56. Шалягин Д.В, Волков А.А. и др. Устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М.: Маршрут, 2006, ч. 2.

57. Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи. М.: Техносфера, 2004. - 166 с.

58. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике.-М.: ИЛ, 1963, с. 243-332.

59. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации/ Под ред. В.Б Пестрякова. М.: Сов. Радио, 1973. 424 с.

60. Ju.V.Kurganova Nelinearne spracovanie signalov podobnych sumu. Advances in Electrical and Electronic Engineering Faculty of Electrical1. V V t

61. Engineering, Zilina University, Zilina, Slovakia, 2005.64. www.wireless.ru65. www.cdma.ru