автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение помехоустойчивости радиотехнических систем на основе инвариантных алгоритмов обработки сигналов

На правах рукописи

Алгазин Евгений Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ

СИГНАЛОВ

Специальность 05.12.04 — радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

14 НОЯ 2013

005537998

Омск-2013

005537998

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Малинкин Виталий Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Майстренко Василий Андреевич, заведующий кафедрой «Средства связи и информационная безопасность», ОмГТУ

доктор технических наук, профессор Митрохин Валерий Евгеньевич, заведующий кафедрой «Системы передачи информации», ОмГУПС

доктор технических наук, профессор Разинкин Владимир Павлович, профессор кафедры «Теоретические основы радиотехники», НГТУ

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Тамбовский научно-исследовательский институт радиотехники «Эфир».

Защита диссертации состоится /2. 2013 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д212.178.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет».

Адрес: 644050, г. Омск, ОмГТУ, пр. Мира, 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ.

Автореферат разослан « а »_ // 2013 г.

Учёный сеіфетарь диссертационного совета д.т.н., доцент

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В общем случае в радиотехнических системах с цифровыми видами модуляции канал связи является нестационарным. В таком канале связи на передаваемый сигнал воздействует комплекс помех, таких как мультипликативная помеха, частотноселективные замирания, сдвиг частотного спектра, аддитивная помеха. Кроме того, наличие фильтров в тракте приёма радиотехнической системы обуславливает возникновение переходных процессов, которые в свою очередь, снижают помехоустойчивость. Среди радиотехнических систем с цифровыми видами модуляции нами рассмотрены цифровые системы передачи данных. Помимо цифровых систем передачи данных в общепринятом понимании нами анализируются инвариантные системы передачи сигналов (ИСПС), под которыми понимаются системы, основанные на использовании относительных методов модуляции с информационным и обучающим сигналами.

Традиционные способы борьбы с мультипликативной помехой включают в себя: разнесение приёмных устройств в пространстве* использование метода автовыбора, устройств автоматической регулировки усиления (АРУ), адаптивных методов, априорной компенсации помех, систем с обратной связью, систем с шумоподобными сигналами и приём сигналов на различных частотах.

Борьба с частотноселективными замираниями осуществляется методом разнесения приёмных устройств в пространстве и использования шумоподобных сигналов.

Компенсация сдвига частотного спектра, обусловленного допплеровским эффектом, заключается в использовании фазоразностной модуляции второго порядка, применении устройств фазовой автоподстройки частоты, метода автовыбора, линейной частотной модуляции (ЛЧМ).

Следует отметить, что перечисленные выше методы повышения помехоустойчивости имеют сложную аппаратную реализацию, либо требуют передачи по каналу связи дополнительного детерминированного сигнала, называемого пилот-сигналом.

Внесение избыточности в передаваемый сигнал с помощью помехоустойчивого кодирования не всегда оправдано, поскольку требует для своей реализации сложных алгоритмов демодуляции и при допплеровском смещении частотного спектра является неэффективным. Кроме этого следует отметить, что данные алгоритмы требуют определённого времени вхождения в рабочий режим, или в режим синхронизации.

Большой вклад в решение проблемы борьбы с замираниями в канале с переменными параметрами внесли работы отечественных учёных Тихонова В.И., Кремера И.Я., Владимирова В.И., Карпухина В.И., Васильева К.К., Петровича Н.Т., Кловского Д.Д., Сифорова В.И., а также труды многих зарубежных исследователей Р. Прайса, Грина П.Е., Т. Кайлата, Дж.Н. Пирса, Бренанна Д.Г., Турина Г.Л., С. Стейна, Б. Барроу и других.

Эффективным способом решения проблемы борьбы с замираниями в нестационарном канале связи с переменными параметрами является метод,

учитывающий инвариантность и свойства относительности среды распространения. Основателем использования свойств относительности является отечественный учёный Н.Т. Петрович. Его идеи обобщены и развиты в работах Кловского Д.Д., Заездного А.М., Окунева Ю.Б. и Раховича Л.М.. Идеи использования относительных методов модуляции получили дальнейшее развитие в работах М.Н. Петрова, В В. Лебедянцева и В.Б. Малинкина. Однако проблема повышения помехоустойчивости радиотехнических систем на основе этих двух методов в полной мере ещё не решена. Эти два метода ^на сегодняшний день позволяют получить помехоустойчивость на уровне 10 -10"6 при соотношении сигнал / шум (Ь) равном 9-12 Дб.

Помехоустойчивость классической АМ модуляции гораздо ниже, поскольку вероятность ошибки при АМ модуляции составляет 10" при соотношении сигнал/шум равном 14 Дб.

Разработанные в данной диссертационной работе инвариантные алгоритмы обработки сигналов на основе относительной амплитудной модуляции позволяют с помощью отношения информационных и обучающих сигналов формировать и обрабатывать информационные параметры, обладающие высокой помехоустойчивостью. В то же время эти информационные параметры не требуют передачи большого количества сигналов, а это позволяет использовать их в качестве управляющих и информационных.

Практическая реализация предложенных инвариантных алгоритмов базируется на применении цифровых технологий обработки сигналов.

Данная диссертационная работа посвящена разработке и исследованию инвариантных алгоритмов (т.е. алгоритмов, основанных на вычислении инвариантов) повышения помехоустойчивости цифровых систем передачи данных с относительной амплитудной модуляцией, основанных на использовании информационных и обучающих сигналов. В данных алгоритмах передаваемая информация (инвариант) заложена в отношение комплексных спектров информационного сигнала к обучающему. Эти алгоритмы использованы для борьбы с воздействием мультипликативной помехи, частотноселективными замираниями и аддитивной помехой, а также для компенсации сдвига частотного спектра в каналах связи с переменными параметрами, т.е. со всеми известными дестабилизирующими факторами, присущими нестационарному каналу связи.

Целью работы является повышение помехоустойчивости радиотехнических систем на основе использования инвариантных алгоритмов формирования и обработки сигналов как в частотной, так и во временной области. В соответствии с этой целью решены следующие задачи:

1. Разработаны элементы теории формирования и обработки сигналов с помощью линейных и нелинейных инвариантных алгоритмов, базирующихся на относительной амплитудной модуляции.

2. Произведена оценка помехоустойчивости радиотехнических систем, использующих инвариантные алгоритмы обработки и формирования сигналов при наличии мультипликативной и ад дитивной помехи.

3. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии частотноселективных замираний, основанный на использовании относительных методов модуляции и оценена его помехоустойчивость.

4. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии допплеровского смещения частотного спектра, основанный на использовании относительных методов модуляции сигналов и оценена его помехоустойчивость.

5. Исследованы свойства инвариантной системы передачи сигналов с учётом частотных свойств фильтров приёмной части канала связи и даны рекомендации по формированию сигналов информационной и обучающей последовательности.

6. С помощью математического и статистического моделирования подтверждена адекватность результатов исследования.

Методы исследований, используемые в работе, базируются на теории вероятностей, методах оптимального приёма, методах построения инвариантных систем передачи сигналов, теории функций комплексного переменного, теории линейных и нелинейных систем, теории фильтров, временных и частотных методах анализа цепей.

Комплексное исследование характеристик помехоустойчивости инвариантных систем передачи сигналов проводилось методами статистического моделирования на ПЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработаны инвариантные алгоритмы с линейной и нелинейной обработкой и формированием сигналов, некритичные к воздействию мультипликативной помехи, позволяющие уменьшить влияние аддитивной помехи и получить выигрыш, равный 0,8 дБ, при вероятности ошибки, равной 10 , по сравнению с традиционными алгоритмами.

2. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии частотноселективных замираний, позволяющий получить вышрыш, равный Ю дБ, при вероятности ошибки, равной 103, по сравнению с традиционными алгоритмами.

3. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии допплеровского смещения частотного спектра, позволяющий получить выигрыш, равный 4,5 дБ, при вероятности ошибки, равной 10~3, по сравнению с системой без компенсации смещения частотного спектра.

4. Исследованы свойства инвариантной системы передачи сигналов (ИСПС) при влиянии фильтров на помехоустойчивость ИСПС, при этом разработана программа расчёта влияния этих фильтров на помехоустойчивость.

5. Разработана имитационная модель инвариантной системы передачи сигналов.

Практическая ценность состоит в повышении помехоустойчивости ИСПС за счёт разработанных инвариантных алгоритмов формирования и обработки сигналов.

Создано программное обеспечение, обеспечивающее расчёт статистических характеристик инвариантных радиотехнических систем передачи сигналов.

Внедрение работы. Исследования, проведённые в ходе выполнения диссертационной работы составили основу научно-исследовательской работы «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий», посвященной разработке теории инвариантных систем передачи сигналов.

Разработанное программное обеспечение, позволяющее оценить помехоустойчивость инвариантной системы передачи сигналов, использовано на предприятиях: ООО «Аилайн кэмьюникейшнс СНГ» и ЗАО «НЛП РОТЕК-Новосибирск». Результаты работы использованы в учебном процессе ФГОБУ ВПО Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики при подготовке студентов по специальности 210700 Многоканальные телекоммуникационные системы.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, докладывались и обсуждались на

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-1996;

- Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-1997;

- Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-1998;

- Третьей международной конференции «Современные информационные технологии СИТ-98», Новосибирск-1998;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-2004;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-2005;

- Международной конференции «2005 Microwave Electronics, Measurement, Identification, Application - MEMLA 2005», Новосибирск-2005;

- Международной 9-й конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2008, Новосибирск-2008;

- Международной 10-й конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2010, Новосибирск-2010;

- Российской научно-технической конференции «Современные проблемы телекоммуникаций», Новосибирск -2012;

- Международной 11-й конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2012, Новосибирск-2012.

Кроме того, основные результаты диссертации докладывались на:

- Семинаре кафедры «Системы передачи информации» Омского государственного университета путей сообщения под руководством д.т.н. профессора Митрохина В.Е.

- Расширенном семинаре кафедры «Многоканальная электрическая связь и

оптические системы» Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики под руководством к.т.н. профессора Фокина В.Г.

- Расширенном семинаре кафедры «Средства связи и информационная безопасность» Омского государственного технического университета под руководством д.т.н. профессора Майстренко В .А.

- Расширенном заседании научно-технического совета открытого акционерного общества «Тамбовский научно - исследовательский институт радиотехники «Эфир» под председательством технического директора к.т.н. Лунёва B.C.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 54 работы, в том числе 44 статьи и получен патент на полезную модель. Издано три монографии. В журналах из списка, рецензируемого ВАК, опубликована 21 статья, получено шесть свидетельств на государственную регистрацию программ в ФИПС. Две работы опубликованы без соавторов.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа выполнена непосредственно её автором.

Все работы, кроме работ [19] и [20] написанных самостоятельно, написаны в соавторстве.

В этих научных работах выделить персонально кого-либо не возможно.

Во всех совместно опубликованных статьях и докладах автором сформулированы постановка задачи и метод её решения.

Соавторы считают, что результаты научных работ являются неделимыми и вклад каждого соавтора одинаков.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения. В приложении приведены акты внедрения.

Объём диссертации 260 страница, включая 75 рисунков, библиографический список содержит 163 наименования исследованной литературы.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

1. Инвариантные алгоритмы обработки сигналов в ИСПС, позволяющие получить выигрыш, равный 0,8 дБ, при вероятности ошибки, равной 10~3, по сравнению с традиционными алгоритмами.

2. Инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии частотноселективных замираний, позволяющий получить выигрыш, равный 10 дБ, при вероятности ошибки, равной 10~3, по сравнению с традиционными алгоритмами.

3. Инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии допплеровского смещения частотного спектра, позволяющий получить выигрыш, равный 4,5 дБ, при вероятности ошибки, равной 10~3 по сравнению с алгоритмами без компенсации смещения частотного спектра.

4. Статистическая модель инвариантной системы передачи сигналов, позволяющая получить необходимые характеристики с помощью разработанных программных средств.

5. Результаты математического и статистического моделирования инвариантной системы передачи сигналов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определена практическая ценность результатов исследования, приведены сведения об апробации работы, пояснена структура и объем диссертации.

В первом разделе рассмотрены такие методы борьбы с мультипликативной помехой как разнесение приёмных устройств в пространстве, использование автовыбора, систем с обратной связью, систем автоматической регулировки усиления (АРУ), адаптивных методов. На основе анализа данных методов сделан вывод о перспективности таких методов.

Анализ структур инвариантных радиотехнических систем, позволяющих бороться с мультипликативной помехой показал, что инвариантным алгоритмам борьбы с мультипликативной помехой на основе относительной амплитудной модуляции свойственна высокая помехоустойчивость.

При разработке инвариантных алгоритмов линейных и нелинейных ИСПС использован инвариант, предложенный в [1,2, 3]

^х/ОМ) д =Ц]каН), (1)

где 5вх,<ДсО)) и З'вху-иСДю!) - это комплексные спектры входного сигнала любого линейного четырехполюсника на ¿-ом и (I - 1)-ом блоках обработки; ■5,вых.(Да>1) и SBЫX(i-l)(jka¡¡) - комплексные спектры выходных сигналов любого линейного четырехполюсника на 1-ом и (¿-1)-ом блоках обработки при входном воздействии, равном ^(Дю,) и 5аХ(/-1>(Дс01); к - переменная, указывающая номер гармоники; (01 - частота первой гармоники; ЦДе>]) -коэффициент пропорциональности.

Выражение (1) на интервале стационарности распадается на равенство отношения амплитудных спектров на входе и выходе канала и равенство разности фазовых спектров на входе и выходе канала связи с переменными параметрами.

В работе показано, что для широкого класса сигналов с финитным спектром, являющихся подпространством пространства 1^°°) и используемых для передачи сигналов с относительными методами модуляций справедливы соотношения

"ВХ1

{кщ) .. ВЫХ1 (кщ) _г,и., ^

ф; (кщ) - ф( м) (кщ)=(к(й! )- \)/( м) ( £0)! ),

где 8ВХ1(к(й{), 5ВЬШ( к(йО - соответственно амплитудные спектры входного и выходного сигналов на соответствующих блоках обработки; ф,( кщ), \|/,( к(й->) -фазовые спектры входного и выходного сигналов; L(fcco1) - коэффициент пропорциональности.

Выражение (2) является инвариантом, который можно использовать для передачи информации по каналам с переменными параметрами.

Однако его непосредственное использование трудоёмко, поэтому для упрощения задачи использованы опорные колебания 50П(пТ).

Если заменить в (1) ^Выхо-1)(ДсО]) на S0ПBWÍ(jk(Ql\ а Бт-,)(]к(й1) на Soпlsx(jk(£>l), то тогда равенство (2) преобразуется в следующее:

) ^ОПВХ!

(кщ)

^ оп вых/ () ' (3)

[финф.(^1 )-Фоп;(^1)]вх ~[>шф/(*а>1 )]вых-

где Ь'( кщ) — коэффициент пропорциональности.

Из анализа (3) следует, что 50П т(пТ) является регулярной последовательностью опорных (в дальнейшем - обучающих) сигналов.

Во временной области выражение (3) преобразуется в следующее выражение:

5ъхМТ) 5вьтЫТ) ь(пТ1 (4)

"опвхЛ71-' ' ^ОПВЫХ1 ^^ '

гЛв 5еых,(ЛГ) = А:,(7ЗГ)5бх,(ЛТ) + |/(ПГ),

где; Л'ВЫХ1(и7) — выходной сигнал /-го блока; ¿,вх;(п7) — входной сигнал г'-го блока; к((пТ) - коэффициент передачи канала связи на г'-м блоке; \,{пТ) — аддитивная помеха на г'-м блоке; п - номер отсчёта; Т - интервал дискретизации; Ь{пТ) -коэффициент пропорциональности.

В системах с инвариантной обработкой сигналов модулирующий параметр вложен в отношение 5'ви(и7)/ 80ПВХ1{пТ).

Алгоритмы борьбы с мультипликативной помехой на основе относительной амплитудной Модуляцией делятся на две основные группы.

К первой группе алгоритмов относятся все алгоритмы линейных ИСПС. В основе одного из них лежит использование прямоугольной огибающей, выделенной синхронным детектором. К этой же группе относится алгоритм, реализующий обработку сигналов с помощью расширенного синхронного детектора.

Аналитическое выражение оценки инварианта для алгоритма линейной ИСПС, использующей прямоугольную огибающую, выделенную синхронным детектором, имеет следующий вид:

-5об> (5>

^ т=1 }=\

где INV/ - оценка Z-ro инварианта; к - коэффициент передачи канала связи; INV, - /-ый передаваемый инвариант; 4(0 - z-ый отсчёт аддитивной помехи, искажающий отсчёты прямоугольной огибающей; L - количество накоплений с усреднениями обучающего сигнала; S^ - значение обучающего сигнал; ц{т, J) -j- ый отсчёт аддитивной помехи, искажающий отсчёт прямоугольной огибающей т-то сигнала обучения.

Отсчёты помехи в выражении (5) r\(m, j) получены на основе анализа обучающих сигналов в г'-м блоке. £(z) - отсчёты помехи, полученные в результате анализа информационных сигналов i-ro блока.

Данный алгоритм представляет последовательность действий, состоящих в вычислении оценки инварианта по значениям k, INV], S0e, £0") и r\(m,j).

Здесь в числителе - сумма N отсчётов информационного сигнала, каждый i-ый отсчёт которого образован выражением вида к • ENVi + £(i). В знаменателе -сумма N отсчётов сигнала обучающей последовательности, каждый j-й отсчёт образован выражением вида к • S0e + Ц{тп, j). Все ш-е реализации сигналов обучения складываются и усредняются по L. Домножая на Sob получаем оценку инварианта.

Алгоритм (5) позволяет уменьшить влияние мультипликативной и аддитивной помех при использовании прямоугольной огибающей, выделенной синхронным детектором. Алгоритм впервые предложен автором и использован для построения ИСПС, на которую получен патент на полезную модель [27].

Ко второй группе алгоритмов относятся все алгоритмы, используемые нелинейными ИСПС. Это алгоритм, использующий возведение в квадрат отсчётов огибающей и алгоритм, использующий отношение модулей информационного и обучающего сигналов (Впервые предложен Лебедянцевым

где переменные в выражении (6) описаны в выражении (5).

Данный алгоритм вычисляет оценку инварианта по значениям к, ПЧУ], Боб, ^(0 и Т|(т,/). Отличие от алгоритма (5) состоит в том, что суммы в числителе и знаменателе образованы с помощью квадратов отсчётов, искажённых мультипликативной и аддитивной помехи.

После вычисления корней квадратных из сумм числителя и знаменателя, получено отношение модулей информационного и обучающего сигналов. Домножая результат отношения на Боб получаем оценку инварианта.

Данный алгоритм также позволяет уменьшить влияние мультипликативной и аддитивной помех при достаточно простой обработке сигналов.

Предложенные алгоритмы обработки сигналов, основанные на относительной амплитудной модуляции с накоплением и усреднением сигналов обучения, снижают влияние мультипликативной и аддитивной помех.

В.В.)

N

2

INV/

(6)

В результате исследования, установлено, что предложенные алгоритмы, основанные на использовании прямоугольной огибающей и на использовании расширенного синхронного детектора обладают более высокой помехоустойчивостью по сравнению с классической амплитудной модуляцией с избыточностью.

Данные алгоритмы показывают, что за счёт усреднения аддитивной помехи в каждом блоке удаётся повысить помехоустойчивость сигналов инвариантной системы. При этом помехоустойчивость будет выше, чем у классической АМ-модуляции при воздействии белого шума.

Во втором разделе на основании аналитического выражения оценки инварианта методом преобразования случайных величин найдена плотность вероятности оценки инварианта, которая используется для расчёта вероятности ошибки (вероятности попарного перехода одного инварианта в другой и обратно).

Вероятность ошибки рассчитывается по формуле средней вероятности:

оо

Poш^P\}w2(z)dz + Pz\wl(z)dz, (7)

~~ гр

где Рот - вероятность перехода П^ в ШУ2 и наоборот; Р1 - вероятность появления ШУь Р2 - вероятность появления ШУ2. Первый интеграл -вероятность появления 11\Р/2, когда послан ПЧУ,. Второй интеграл -вероятность появления Ш,, когда послан ШУ2; гр - пороговое значение, необходимое для вычисления Рош; при известных Р\ и Р2 оно определяется с помощью наилучшей байесовской оценки путём минимизации Рош по ц. При неизвестных Р, и Р2 принимаем Р1 = Р2 = 0,5; У/гк) - плотность вероятности оценки первого инварианта; 1У2(г) - плотность вероятности оценки второго инварианта.

М'Кг) и \У2(г) представляют собой плотности вероятности частного двух случайных величин. Каждая из этих случайных величин распределена по нормальному закону. Для аналитического выражения \\г1(г) и Ц'2(г) необходимо найти математические ожидания и дисперсии случайных величин числителя и знаменателя и подставить их в конечное выражение ТУ^г) и

На основании формулы (7) произведена оценка помехоустойчивости всех инвариантных алгоритмов при воздействии мультипликативной и аддитивной помех.

В диссертации указаны особенности вычисления порогов в инвариантной системе.

При оценке помехоустойчивости использована процедура уменьшения набора инвариантов инвариантной системы. Оценка помехоустойчивости выполнена при трёх вариантах поведения аддитивной помехи:

- независимые отсчёты аддитивной помехи;

- корреляция соседних отсчётов аддитивной помехи;

- корреляция всех отсчётов аддитивной помехи.

При этом рассмотрено два варианта поведения мультипликативной помехи: коэффициент передачи канала связи равен 1 (нет мультипликативной помехи) и коэффициент передачи канала связи равен 0,7.

Оценка помехоустойчивости проведена при неточном начальном определении порогов с последующей корректировкой результата. При изменении параметров канала связи от к. до £+. При численной оценке помехоустойчивости было принято, что

где к—точное значение коэффициента передачи канала связи на интервале стационарности; Дь - дисперсия коэффициента передачи канала связи на интервале стационарности, обусловленная влиянием аддитивной помехи.

Следует отметить, что на интервале стационарности в каждом блоке обработки наибольшее влияние оказывает аддитивная помеха, а коэффициент передачи канала связи является постоянным.

При рассмотрении алгоритмов для линейных и нелинейных ИСПС установлено, что наименьшее значение вероятности ошибки при неточном определении порогов имеют инвариантные алгоритмы для линейных ИСПС.

Алгоритмы, для нелинейных ИСПС, при изменении параметров канала связи от от к_ до к+ проигрывают в помехоустойчивости классической амплитудной модуляции.

Здесь же приведены результаты исследования поведения инвариантной системы в случае независимости отсчётов аддитивной помехи, корреляции соседних отсчётов аддитивной помехи и корреляции всех отсчётов аддитивной помехи.

В случае корреляции всех отсчётов аддитивной помехи, оценка инварианта для инвариантных алгоритмов линейных ИСПС обработки определяется следующим выражением:

(8)

тц+ОвЦ! В'

где А - случайная величина числителя; В — случайная величина знаменателя; т\1 и т|2 - вспомогательные независимые случайные величины, имеющие стандартное нормальное распределение; сА - дисперсия случайной величины числителя; ав - дисперсия случайной величины знаменателя; тА -математическое ожидание случайной величины числителя; тв — математическое ожидание случайной величины знаменателя; р = сохт(Л; В) = соу(А; В)/(аАав) - функция корреляции случайных величин числителя и знаменателя.

Введение р обусловлено алгоритмом обработки на основе относительной амплитудной модуляции.

Данный алгоритм вычисляет оценку инварианта по значениям тА, ста, Ль Т|2, р, тв и ав.

Отличие от алгоритмов (5) и (6) в том, что числитель и знаменатель (8) образованы с помощью т|1 и т|2 — вспомогательных случайных величин, кроме того, учитывается корреляция случайных величин числителя и знаменателя.

Этот алгоритм снижает влияние мультипликативной и аддитивной помех при корреляции всех отсчётов аддитивной помехи (предложен Ковалевским А.П.).

Как показали исследования, инвариантные алгоритмы для линейных ИСПС при независимых отсчётах аддитивной помехи незначительно выигрывают по сравнению с инвариантными алгоритмами с корреляцией соседних и корреляцией всех отсчётов аддитивной помехи.

Результаты моделирования показали, что алгоритмы для нелинейных ИСПС более чувствительны к неточному выставлению порогов, чем алгоритмы для линейных ИСПС. На рисунке 1 приведены результаты моделирования помехоустойчивости для расширенного синхронного детектора для независимых отсчётов аддитивной помехи.

О 6.02 9.54 12.04 13.97 15.56 Л (дБ)

1. Вероятность попарного перехода при к = 0,7 и порогах гр, вычисленных при к = 0,7 по формуле (8)

2. Вероятность попарного перехода при к = 0,7 и порогах гр, вычисленных при к. по формуле (8)

3. Вероятность попарного перехода при к = 0,7 и порогах гр, вычисленных при к+ по формуле (8)

4. Вероятность ошибки классической АМ-модуляции без избыточности

5. Вероятность ошибки классической АМ-модуляции с избыточностью (расширенный код Голея (24,12) с кодовым расстоянием ? = 3)

6. Вероятность ошибки при классической ФМ-модуляции

Рис. 1 Кривые помехоустойчивости при наличии мультипликативной помехи (вероятность попарного перехода при к = 0,7)

Здесь к. и к+ соответствуют граничным значениям коэффициента передачи канала связи, обусловленным неточностью определения коэффициента передачи канала связи на интервале стационарности вследствие влияния аддитивной помехи.

На рисунке 2 приведены результаты моделирования помехоустойчивости для алгоритма для нелинейных ИСПС, основанного на отношении модулей информационного и обучающего сигнала и использующего прямоугольную огибающую, выделенную синхронным детектором.

О 6.02 9.54 12.04 13.97 15.56 16.9 Н

1. Вероятность попарного перехода при к = 0,7 и порогах гр, вычисленных при к = 0,7 по формуле (8)

2. Вероятность попарного перехода при к = 0,7 и порогах гр, вычисленных при к. по формуле (8)

3. Вероятность попарного перехода при к = 0,7 и порогах гр, вычисленных при к+ по формуле (8)

4. Вероятность ошибки классической АМ-модуляции без избыточности

5. Вероятность ошибки классической АМ-модуляции с избыточностью (расширенный код Голея (24,12) с кодовым расстоянием г = 3)

6. Вероятность ошибки при классической ФМ-модуляции

Рис. 2 Кривые помехоустойчивости при наличии мультипликативной помехи (вероятность попарного перехода при к — 0,7)

Канал связи помимо мультипликативной и аддитивной помехи характеризуется наличием частотноселективных замираний и смещением частотного спектра.

Третий раздел диссертации посвящен разработке инвариантных алгоритмов обработки при наличии частотноселективных замираний и наличии смещения частотного спектра. .

При частотноселективных замираниях использовалась модель канала связи, при этом общая полоса пропускания разбивается на несколько участков. Каждый частотный диапазон, являющийся составной частью полосы пропускания имеет свой коэффициент передачи.

Суть алгоритма обработки сигналов при наличии частотноселективных замираний сводится к разбивке информационного сигнала на подканалы. В каждом подканале вычисляется оценка инварианта. Эта оценка в дальнейшем используется для восстановления всего информационного сигнала.

Недостаток этого алгоритма заключается в снижении скорости передачи из-за наличия полос расфилътровки.

В соответствии со свойствами относительности среды распространения аналитическое выражение оценки инварианта образовано на основе частного двух случайных величин - числителя и знаменателя. Оценка инварианта в к-ом подканале может быта вычислена с помощью следующего выражения:

N 2 /=1 ( ПГО", ^ Г ' М-С* / г(*)созШ1(/-;е)а!г+ 1 х-ь

1 Ц. N М т=1 ;=1 Г ^об V г 1 ч 1-Ь

х

*

1-1

(9)

___

где ШУк - оценка /-го передаваемого инварианта по к-му частотному подканалу; N - количество временных отсчётов; - /-ый передаваемый инвариант; \1ск - косинусная составляющая коэффициента передачи к-то частотного подканала; к - номер частотного подканала; г(х) - передаваемый сигнал; £2, - частота первого фильтра; ц^ - синусная составляющая коэффициента передачи к-то частотного подканала; с(г) - г'-ый отсчёт аддитивной помехи; Ь - память канала; Ьх - количество накоплений с усреднениями; 5„6 - обучающий сигнал; \1с(т,к) - косинусная составляющая к-то частотного подканала в т-ой реализации обучающего сигнала; щ (т,к) -синусная составляющая ¿-го частотного подканала в т-ой реализации обучающего сигнала; Г) {т, Л - у-ый отсчёт аддитивной помехи в т-ой реализации обучающего сигнала.

Данный алгоритм вычисляет оценку инварианта путём вычисления суммы мгновенных 1-ых отсчётов информационного сигнала в числителе (9) и суммы }-ых мгновенных отсчётов обучающего сигнала в знаменателе.

В числителе выражения (9) сумма временных отсчётов информационного сигнала для выбранного к-го номера частотного подканала. В знаменателе выражения (9) сумма временных отсчётов для накопленных и усреднённых сигналов обучения.

Данный алгоритм позволяет существенно уменьшить вероятность попарного перехода инвариантов (рис. 3). Алгоритм впервые предложен автором и зарегистрирован в государственном фонде алгоритмов и программ [30].

О 6.02 9.54 12.04 13.97 15.56 Л (дБ)

1 - Кривая вероятности ошибок, полученная при классическом подходе 2 - Кривая вероятности ошибок, полученная для синтезированного алгоритма Рис. 3 Кривые помехоустойчивости при частотноселективных замираниях

Помимо частотноселективных замираний, нестационарный канал имеет допплеровское смещение частоты.

Для компенсации допплеровского смещения частотного спектра синтезирован инвариантный алгоритм обработки сигналов, где принимаемый сигнал разбивается на секции. Объем выборки в каждой секции определяется N отсчётами. При обработке информационных блоков на приёмной стороне имеются предыдущие аналогичные блоки обработки. Следовательно, для компенсации допплеровского смещения частотного спектра можно воспользоваться инвариантными равенствами, справедливыми при случайном частотном сдвиге.

В диссертации показано, что для любого линейного четырехполюсника справедливо инвариантное равенство:

5пер;(г) ^пері-і(г-) Ущ,і(г) Ущ,;-і(г)

-'пері-

5пер1-_2(г)

(Ю)

где 5Пер.(г) - г-изображение сигнала передачи на г-м блоке; У„р,(г) - г-изображение сигнала приёма на і-м блоке.

Это инвариантное равенство справедливо как для среды распространения сигналов с допплеровским смещением частотного спектра, так и без такого.

Для среды с допплеровским смещением справедливо следующее соотношение:

Я, (г) гЯн(г)_ = Ні_к (г) (П)

Нм(г) Я,_2(г) "' ЯнмЫ где Я,(г), Я,_;(г), Я^(г) - ¿-изображения передаточных характеристик соответственно на і-том, (і-1), ..., (г - к) блоках обработки; ()(г) - г-изображение постоянного множителя.

Если для среды выдерживается соотношение

-ГТ^Г1' (12)

то тогда среда распространения не имеет сдвига частотного спектра. Следует заметить, что обычный канал без смещения частотного спектра является частным случаем канала, описываемого (11).

Использование равенства (10) позволяет демодулировать сигнал передачи, бороться с амплитудно-частотными и фазо-частотными искажениями и наконец, позволяет компенсировать допплеровский сдвиг частотного спектра. Однако, для перечисленных выше процедур необходимо произвести модуляцию сигнала передачи в отношение отношений, которое определено выражением (10).

В соответствии с равенством (10), на передающей стороне сигнал передачи Б ¡(г) должен промодулировать отношение отношений г-изображений сигналов передачи.

В модуляторе используется 4 стандартные операции: преобразование аналогового сигнала в цифровой; обратное преобразование из цифрового эквивалента в аналоговый сигнал; преобразование сигнала из временной области в частотную область; преобразование сигнала из частотной области обработки во временную область. В силу очевидности этих операций, мы их выпускаем из рассмотрения. Выходной сигнал на ¿-том блоке обработки будет равен

5псрг- С г)=С• 5,- (2)^^^ (г)-—Ц—, (13)

^пер 1-2

ГДе Зггер;^), $п ерм(г) и 5,пер;_2(г), - г-изображения сигналов передачи соответственно на ¿-том, (г - 1) и (г - 2) блоках обработки; - г-изображение модулирующего сигнала. Для исключения переполнения разрядной сетки служит масштабирующий коэффициент «С». В соотношении (13) делитель определяется комплексным спектром, задержанном на два блока. В этой связи для исключения деления на нуль нужен контроль за величиной делителя.

Помимо этого, при первоначальном включении нужно линии задержки отключать ровно на 2 блока.

При расчёте сигнала приёма в г-области, выражением (10) и с учётом г-изображение сигналов приёма на трёх блоках обработки будет равно

Уирм (г )=5перМ (г >ЯМ (г)=5перМ (г)Н1(г)0(г), Гпр;-2 (г) = 5пер/_2 (г) Яг_2 (г)=5пер,-_2 (г) Яы (г) <2 (г).

На рисунке 4 приведена структурная схема демодулятора, осуществляющего демодуляцию сигналов приёма совместно с коррекцией допплеровского сдвига частот. Она состоит из 2-х линий задержки и трёх делителей.

На выходе первой линии задержки будет сигнал УприСг), а на выходе второй линии задержки будет сигнал У^^Сг).

На выходе первого делителя получим следующее соотношение

Упр,(г) япер ,(г)я,(г) _ ^¡^¡(г) Ущ,(-1 ( 5пер

" пер 1-1 4 г)е(г)'

Рис. 4 Структурная схема инвариантного демодулятора На выходе второго делителя результат деления будет равен

УпрмСг) 5пері_і(г)Яі_1(г)

^пері-і (г)

Ущ,і-2(г) 5пері_2(г)йн(г)Є(г) 5псрі_2(г)<2(г)' На выходе третьего делителя результат деления будет равен

^пр/ ( ^Гф г—1 ( ^ ^_ ^пер І £ пер 1-1(2)

-=C■S¡(z).

^прг—1 5дер,_1(г) Зпер1_2(г)

Следует заметить, что на выходе третьего делителя допплеровский сдвиг отсутствует. Кроме этого демодулирован сигнал передачи

В диссертации рассчитаны вероятности ошибки в случае воздействия допплеровского смещения частотного спектра с компенсацией и без компенсации допплеровского смещения (рис. 5).

Кроме этого в третьем разделе проведено исследование влияния фильтров на помехоустойчивость ИСПС. Как известно, наличие полосовых фильтров (ПФ) и фильтров нижних частот (ФНЧ) в тракте приёма приводит к возникновению переходных процессов, которые искажают огибающую сигнала приёма. А это нарушает точное вычисление инварианта.

Выражение оценки инварианта с учётом переходных процессов имеет следующий вид:

О 6.02 9.54 12.04 13.97 15.56 16.9 Л (дБ)

1) Кривая помехоустойчивости инвариантной системы при компенсации допплеровского смещения частотного спектра;

2) Кривая помехоустойчивости инвариантной системы без компенсации допплеровского смещения частотного спектра;

3) Кривая помехоустойчивости инвариантной системы без допплеровского смещения частотного спектра

Рис. 5 Кривые помехоустойчивости инвариантной системы передачи

информации при коэффициенте передачи канала связи равном 0,7 и наличии допплеровского смещения, обуславливающего увеличение или уменьшение частоты

^-£о6, (14)

Ь т=I ]=\

где ШУ; - 1-ый передаваемый инвариант; к - коэффициент передачи канала

связи; р{1) - г'-ый отсчёт огибающей информационного сигнала; £(0 - г-ый отсчёт аддитивной помехи информационного сигнала; Ь - количество накоплений обучающего сигнала; N - количество отсчётов огибающей информационного или обучающего сигнала; ^об - обучающий сигнал; р'{]) -]-ый отсчёт огибающей обучающего сигнала; Г|(/и, /) - у-ый отсчёт аддитивной помехи в т-ой реализации обучающего сигнала.

Данный алгоритм определяет оценку инварианта путём вычисления суммы мгновенных отсчётов информационного сигнала в числителе и обучающего сигнала в знаменателе.

Здесь в числителе - сумма N отсчётов информационного сигнала, каждый из которых образован выражением вида к»ПЧУ]*р(1)-1-£,()). В знаменателе — сумма N отсчётов сигнала обучающей последовательности, каждый из которых образованы выражением вида рП(]),к*30Б + л(т> Все т-ые реализации сигналов обучения складываются и усредняются по Ь.

Алгоритм позволяет уменьшить влияние переходных процессов на помехоустойчивость ИСПС. Алгоритм впервые предложен автором и зарегистрирован в государственном фонде алгоритмов и программ [28].

Учёт влияния полосовых фильтров и фильтров нижних частот на информационный и обучающий сигнал при обработке в частотной области сводится к следующему:

Рвч (Дсошч ) = 5ВЧ (Дюшч )&вч (Д®тч ). (15)

Рт (]ка>1т )=Рт{ ]к(юшч +П))кт(Д®1нч )- (16)

где к - номер гармоники (к е {0; N~ 1}); N — число отсчётов в блоке; оошч — первая гармоника; ЗвчО'&ОДвч) - спектр входного сигнала; &вч(Да>тч) -комплексный коэффициент передачи высокочастотного полосового фильтра; -Рвч(Дюшч) - результирующий спектр входного ВЧ сигнала; £2 - частота, на которую происходит сдвиг результирующего спектра входного сигнала из области высоких частот в область нижних частот; ¿нч(Д®1нч) - комплексный коэффициент передачи фильтра нижних частот; Ющч - первая гармоника НЧ сигнала; Рнч( Дга,нч) - результирующий спектр входного НЧ сигнала.

При этом фазовые характеристики рассчитываются следующим образом

фнч ( -/^Мщч ) = Фсигн.вч ( Д®1вч ) + ФфвЧ ( ДЮ)вч )+ ^

+фвч->нч ()+Ффнч ( д®1нч ). где фт( Дс01нч) - результирующая фаза демодулированного сигнала; фсигн-вч( Дшшч) — фазовая составляющая сигнала ВЧ; ф®вч(Д©1вч) - фазовая характеристика фильтра ВЧ; фвч->нч(Д2) - фазовая составляющая сигнала ВЧ, сдвинутого в НЧ область; Ффнч(Д©1нч) - фазовая характеристика фильтра НЧ.

С помощью дискретного преобразования Фурье выражение (14) с учётом (15), (16) и (17) переводится в частотную область. После этого выполняются необходимые преобразования в частотной области с последующим переходом во временную с помощью обратного дискретного преобразования Фурье. Во временной области происходит сравнение оценки инварианта с порогом и принятие решения в пользу того или иного инварианта.

На основе предложенного подхода была рассчитана помехоустойчивость инвариантной системы в случае влияния мультипликативной и аддитивной помехи и влияние различных фильтров.

На рис. 6 и 7 приведены кривые помехоустойчивости. В расчётах использовался порог при демодуляции равный полу сумме инвариантов. Из рис. 6 и 7 видно, что влияние переходных процессов в инвариантной системе по сравнению с системой, имеющей бесконечную полосу пропускания незначительно.

Следует заметить, что для классических методов передачи, использующих АМ-модуляцию, для уменьшения влияния переходных процессов в фильтрах ВЧ и НЧ подбирались параметры составляющих элементов фильтров,

обеспечивающие минимум вероятности ошибки.

О 6.02 9.54 12.04 13.97 15.56 16.9 Л (дБ)

1 - Радиотехническая система с классической АМ-модуляцией без избыточности;

2 - ИСПС с избыточностью и выделением колоколообразной огибающей;

3 - ИСПС с избыточностью, бесконечно широкой полосой пропускания

и выделением прямоугольной огибающей;

4 - Радиотехническая система с классической АМ-модуляцией и наличием избыточности (расширенный код Голея (24,12) с кодовым расстоянием ? = 3);

5 - Радиотехническая система с классической ФМ-модуляцией

Рис. 6 Кривые помехоустойчивости при отсутствии мультипликативной помехи (вероятность ошибки при к = 1) О 6.02 9.54 12.04 13.97 15.56 16.9 Л (дБ)

2 - ИСПС с избыточностью и выделением колоколообразной огибающей;

3 - ИСПС с избыточностью, бесконечно широкой полосой пропускания и выделением прямоугольной огибающей;

4 - Радиотехническая система с классической АМ-модуляцией и наличием избыточности (расширенный код Голея (24, 12) с кодовым расстоянием г = 3);

5 - Радиотехническая система с классической ФМ-модуляцией

Рис. 7 Кривые помехоустойчивости при наличии мультипликативной помехи (вероятность ошибки при к = 0,7)

В четвёртом разделе на структурном уровне рассмотрены вопросы реализации инвариантных систем передачи сигналов. Представлены структуры передающих и приёмных устройств инвариантных систем и рассмотрены их особенности. К таким структурам относятся: ИСПС на основе обычного синхронного детектора, ИСПС на основе линейного детектора и ИСПС на основе расширенного синхронного детектора. Данные структуры приведены на рисунках 8-10

ВУ - входное устройство (полосовой фильтр); СД - синхронный детектор;

ФАПЧ - устройство фазовой автоподстройки частоты; Г - генератор; ФНЧ - фильтр нижних частот; АС - анализатор сигнала; ЭК - электронный ключ; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; СВ - спецвычислитель; таймер СС - таймер системы синхронизации; ШУ, - /-ый передаваемый

инвариант

Рис. 8 Приёмная часть ИСПС, основанная на выделении прямоугольной огибающей при помощи обычного синхронного детектора

ВУ

ЛД

АС

Таймер

СС =□-

ЭК

АЦП

СВ

і V

1 Сигнальный процессор |

ЛД—линейный АМ-детектор Рис. 9 Приёмная часть ИСПС, основанной на выделении прямоугольной огибающей при помощи линейного детектора

ВУ СД ФНЧ

АС

ИГ

ФАПЧ

РСД

ж

ФАПЧ

Таймер СС

эк АЦП СВ

|Щ

т

Сигнальный процессор |

Рис. 10 Приёмная часть ИСПС на основе расширенного синхронного детектора

В пятом разделе проведено имитационное исследование поведения инвариантной системы.

В результате проведённых вычислительных экспериментов для отсчётов помехи, распределённых по нормальному закону, для отсчётов помехи,

распределённых по нормальному закону с корреляцией соседних отсчётов помехи, распределённых по релеевскому закону получены кривые помехоустойчивости. Эти кривые с погрешностью 3-5% совпадают с кривыми помехоустойчивости, которые получены теоретически.

Проведённый вычислительный эксперимент показывает, что разработанные алгоритмы являются работоспособными и по качественным характеристикам превосходят классические алгоритмы с амплитудной модуляцией с избыточностью (расширенный код Голея (24, 12) с кодовым расстоянием ? = 3).

На рисунках 11 и 12 приведены результаты имитационного и математического моделирования помехоустойчивости инвариантной системы на основе расширенного синхронного детектирования с использованием поднесущей при независимых отсчётах аддитивной помехи.

О 6.02 9.54 И

р

гпер

Кривая 1 - кривая вероятности попарного перехода при к = 0,7

и имитационном моделировании Кривая 2 - кривая вероятности попарного перехода при к_

и имитационном моделировании Кривая 3 - кривая вероятности попарного перехода при к+ и имитационном моделировании Рис. 11 Кривые помехоустойчивости при имитационном моделировании

0 6.02 9.54 /i

ЗО"4

Р

Кривая 1 - кривая вероятности попарного перехода при к = 0,7 и математическом моделировании

Кривая 2 - кривая вероятности попарного перехода при к-

и математическом моделировании Кривая 3 - кривая вероятности попарного перехода при к+

и математическом моделировании Рис. 12 Кривые помехоустойчивости при математическом моделировании

В заключении сформулированы результаты работы, которые состоят в

следующем:

1. Для борьбы с воздействием мультипликативной и аддитивной помех в радиотехнических системах разработаны инвариантные алгоритмы обработки сигналов для линейных и нелинейных ИСПС.

2. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигнала при наличии частотноселективных замираний в канале связи с переменными параметрами. Данный алгоритм использован для построения ИСПС на основе относительной амплитудной модуляции. Помехоустойчивость такой системы на 10 Дб выше, при вероятности ошибки, равной 10"3, по сравнению с известными системами.

3. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии допплеровского смещения частотного спектра. Этот алгоритм использован для построения ИСПС на основе относительной амплитудной модуляции. Помехоустойчивость такой системы на 4,5 Дб выше, при вероятности ошибки, равной 10"3, по сравнению с традиционной системой, работающей в канале связи с допплеровским смещением частоты.

4. ИСПС исследована при наличии дестабилизирующих факторов. Даны рекомендации по формированию специальной формы сигналов передачи, предпочтительной из которых является колоколообразная форма сигнала.

5. Проведено экспериментальное исследование поведения инвариантной системы методом имитационного моделирования. Результаты имитационного моделирования подтверждают результаты математического моделирования помехоустойчивости ИСПС с погрешностью 3-5%.

Список работ автора по теме диссертации

1. Алгазин Е.И. Инвариантный метод анализа телекоммуникационных систем передачи информации. / В,Б. Малинкин, Е.И. Алгазин, Д.Н. Левин, ВЛ. . Попантонопуло // Монография. - Красноярск, изд. «Поликом», 2006. -140 с.

2. Алгазин Е.И. Инвариантные системы связи. / В.Б. Малинкин, Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский / Монография. - Красноярск, изд. «Поликом», 2010. - 202 с.

3. Алгазин Е.И. Инвариантная обработка сигналов в радиотехнических системах. / В.Б. Малинкин, Е.И. Алгазин, A.B. Малинкин // Монография. -Красноярск, изд. «Поликом», 2012. - 244 с.

4. Алгазин Е.И. Помехоустойчивость инвариантной системы передачи информации при наличии слабых корреляционных связей и собственных шумов генераторного оборудования. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б.

Малинкин // Омский научный вестник: сб. науч. тр. / ОмГТУ № 3(70). Омск, 2008.-с. 122-125.*

5. Алгазин Е.И. Инвариантная некогерентная система передачи и её характеристики. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Омский научный вестник: сб. науч. тр. / ОмГТУ № 4(73). Омск, 2008. -с. 154-157*

6. Алгазин Е.И. Помехоустойчивость инвариантной системы передачи информации при наличии слабых корреляционных связей. / Е.И. Алгазин,

A.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева: сб. науч. тр. / СибГАУ. Вып 4(21). Красноярск, 2008. - с. 29-32.*

7. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы обработки информации при некогерентном приёме. 1 Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева: сб. науч. тр. / СибГАУ. Вып. 2(19). Красноярск, 2008. - с. 38-41.*

8. Алгазин Е.И. Передача сигналов инвариантным методом при наличии аддитивной стационарной гауссовой помехи с корреляционной функцией общего вида. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева: сб. науч. тр. / СибГАУ. Вып. 1(22). Часть 1. Красноярск, 2009. - с. 32-34.*

9. Алгазин Е.И. Инвариантная когерентная система при комплексном воздействии помех. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, Е.Г. Касаткина, В.Б. Малинкин // Вестник Тамбовского государственного технического университета: сб. науч. тр. / ТТТУ. Том 15, № 2. Тамбов, 2009.- с. 295300.*

10. Алгазин Е.И. Помехоустойчивость инвариантной системы передачи информации, основанной на когерентном приёме и при наличии слабых корреляционных связей. / Е.И. Алгазин, Е.Г. Касаткина, А.П. Ковалевский,

B.Б. Малинкин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева: сб. науч. тр. / СибГАУ. Вып. 2(23). Красноярск, 2009. - с. 55-58*

11. Алгазин Е.И. Инвариантная система при наличии аддитивной стационарной гауссовской помехи с корреляционной функцией общего вида и собственных шумов генераторного оборудования. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, Е.Г. Касаткина, В.Б. Малинкин // Омский научный вестник: сб. науч. тр. / ОмГТУ. Вып. 2(80). Омск, 2009. - с. 223-226.*

12. Алгазин Е.И. Инвариантная система при нелинейной обработке сигналов. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Омский научный вестник: сб. науч. тр. / ОмГТУ. Вып. 3(83). Омск, 2009. - с. 272-274.*

13. Алгазин Е.И. Передача сигналов инвариантным методом с последующей нелинейной обработкой. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета

имени академика М.Ф. Решетнева: сб. науч. тр. / СибГАУ. Вып. 3(24). Красноярск, 2009. - с. 20-23.*

14. Алгазин Е.И. Передача сигналов инвариантным методом с последующей нелинейной обработкой при наличии слабой корреляции. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева: сб. науч. тр. / СибГАУ. Вып. 4(25). Красноярск, 2009. - с. 96-98.*

15. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы связи при когерентном приеме. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Электросвязь. № 8,2009. - с. 48-49.*

16. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости системы обработки информации, инвариантной к мультипликативной помехе. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, Д.Н. Левин II Радиотехника. № 6, 2009. - с. 28-31.*

17. Алгазин Е.И. Способы повышения помехоустойчивости системы обработки информации, инвариантной к мультипликативной помехе. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин / Радиотехника. № 1,2010 г. - с. 44-47.*

18. Алгазин Е.И. Инвариантная система при нелинейной обработке сигналов и наличии слабой корреляции. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин / Омский научный вестник сб. науч. тр. / ОмГТУ. Вып. 1(87). Омск. 2010. - с. 202-205.*

19. Алгазин Е.И. Технические характеристики инвариантной системы обработки информации при некогерентном приёме и неточном определении порогов. / Е.И. Алгазин / Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Сб. науч. тр. / СибГАУ. Вып. 3(29). Красноярск, 2010. - с. 29-32.*

20. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации при неточном определении коэффициента передачи канала связи. / Е.И. Алгазин / Омский научный вестник сб. науч. тр. / ОмГТУ Выл 3(93). Омск. 2010. - с. 280-282*

21. Алгазин Е.И. Помехоустойчивость инвариантной системы при нелинейной обработке сигналов. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский / Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. / науч. ред. Г.Я. Шайдуров; отв. за вып. A.A. Левицкий. - Красноярск: сиб. федер. ун-т, 2011. - с. 505-509.

22. Алгазин Е.И. Инвариантная многоволновая волоконно-оптическая система передачи. / В.Б. Малинкин, Е.И. Алгазин, A.B. Малинкин / Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Сб. науч. тр. СибГАУ. Вып. 1(34). Красноярск, 2011.-с. 50-52*

23. Алгазин Е.И. Помехоустойчивость инвариантной системы приёма радиосигналов при воздействии переходных процессов / Е.И. Алгазин, В.Б. Малинкин, A.B. Малинкин / Омский научный вестник сб. науч. тр / ОмГТУ. Вып. 1(107). Омск. 2012. - с. 299-301.*

24. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы при влиянии переходных процессов / Е.И. Алгазин, A.B. Сапсалев, Е.Г.

Касаткина, A.B. Малинкин // Радиопромышленность. Том 1, выпуск 1, Москва, 2012. - с. 214-219.*

25. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации при наличии частотноселективных замираний / Е.И. Алгазин, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин / Омский научный вестник сб. науч. тр. / ОмГТУ. Вып. 3(113). Омск. 2012*

26. Алгазин Е.И. Инвариантная система передачи информации по каналам с переменными параметрами. / Е.И. Алгазин // Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. — Красноярск, СибГАУ, 2006.

27. Патент РФ № 85280. Инвариантная система передачи информации по каналам с переменными параметрами / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин.*

28. Алгазин Е.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614498. Программа расчёта вероятности ошибок при влиянии переходных процессов / Е.И. Алгазин, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин /.*

29. Алгазин Е.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614803. Программа расчёта вероятности ошибок при наличии смещения частотного спектра / Е.И. Алгазин, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин /.*

30. Алгазин Е.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614801. Программа расчёта вероятности ошибок при наличии частотноселективных замираний / Е.И. Алгазин, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин/.*

31. Алгазин Е.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660950. Программа расчёта вероятности ошибок инвариантной к мультипликативной помехе системы, основанной на использовании синхронного детектора./ Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, А.В Малинкин /.*

32. Алгазин Е.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660949. Программа расчёта вероятности ошибок инвариантной к мультипликативной помехе системы, основанной на использовании поднесущей./ Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, А.В .Малинкин /.*

33. Алгазин Е.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660948. Программа расчёта вероятности ошибок инвариантной к мультипликативной помехе системы, основанной на использовании линейного детектора./ Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, А.В .Малинкин /.*

34. Yu. I. Algazin, V.B. MalinMn. Estimation of Noise Immunity of Invariant Message Transfer System. // Microwave electronics: Measurements, Identification, Applications / MEMIA, 2005/ - Novosibirsk, Russia, 2005. -p. 138-141.

35. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы обработки информации. / Е.И. Алгазин, В.Б. Малинкин . // Вестник университетского комплекса. Выпуск 6(20), Красноярск. - НИИ СУВПТ, 2005.-с. 201-206

36. Algazin E.I. Invariant System of Processing of Information by Non-coherent Reception and Its Quantitive Characteristics. / E.I. Algazin, A.P. Kovalevsky, V.B. Malinkin // Materials of 2008 9th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. APEIE - 2008, Volume 1, Novosibirsk - 2008, - p. 41-44.

37. Algazin E.I. Comparative Analysis of the Method of Increasing the Noise Immunity of the Invariant System of Information Processing. / E.I. Algazin, A.P. Kovalevsky, V.B. Malinkin // Materials of 2008 9th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. APEIE -2008, Volume 1, Novosibirsk - 2008, - p. 45-47.

38. Алгазин Е.И. Геометрическая модель канала связи с переменными параметрами / Е.И. Алгазин / Вестник университетского комплекса. Выпуск 6(20), г. Красноярск, НИИ СУВПТ, 2005. - с. 197-200.

39. Алгазин Е.И. Вопросы реализации оптимальной инвариантной системы передачи информации / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин / Материалы 10-ой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». АПЭП-2010, Новосибирск. 22-24 сентября. - 2010. - с. 123-125.

40. Algazin E.I. Questions Realization of Optimum Invariant Systems Programs Information / E.I. Algazin, A.P. Kovalevsky, V.B. Malinkin / Materials of 2010 10th International Conference on Actual Problems of Electrinic Instrument Engineering Proceedings. APEIE. - 2010, Volume 1, Novosibirsk. - 2010. - p. 127-129.

41. Algazin Yu.I. Geometrical Model of Communication Channels with Variable Parameters / Yu.I. Algazin / Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications / MEMIA, 2005. - Novosibirsk, Russia, 2005. - p. 119-121.

42. Algazin E.I. The Noise Immunity of Invariant Relative Amplitude Modulation. / E.I. Algazin, A.P. Kovalevsky, V.B. Malinkin // Materials of 2008 9й International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. APEIE - 2008, Volume 1, Novosibirsk - 2008, -p. 48-51.

43. Алгазин Е.И. Инвариантная система обработки информации при некогерентном приёме и её количественные характеристики. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Материалы 9-ой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2008, Новосибирск 24-26 сентября. - 2008. - с. 13-16.

44. Алгазин Е.И. Сравнительный анализ способов повышения помехоустойчивости инвариантной системы обработки информации. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Материалы 9-ой международной

конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2008, Новосибирск 24-26 сентября. - 2008. - с. 17-19.

45. Алгазин Е.И. Помехоустойчивость инвариантной относительной амплитудной модуляции. / Е.И. Алгазин, А.П. Ковалевский, В.Б. Малинкин // Материалы 9-ой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2008, Новосибирск 24-26 сентября. -2008.-с. 20-23.

46. Алгазин Е.И. Инвариантный метод борьбы с частотноселективными замираниями / Е.И. Алгазин, A.B. Сапсалев, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин // Материалы 11-ой международной конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2012, Том 4, Новосибирск. 2012. - с. 83-85.

47. Algazin E.I. Invariant method of fight with a selective fading / E.I. Algazin, A.V. Sapsalev, V.B. Malinkin, A.V. Malinkin II 2012 11-th International conference on actual problems of electronics instrument engineering (APEI) -30057 proceedings, АРЕ1-2012/ Volume 1. p. 116-118.

48. Алгазин Е.И. Инвариантный метод борьбы с многолучевостъю в гидроакустических каналах / Е.И. Алгазин, A.B. Сапсалев, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин II Материалы второй всероссийской научно-технической конференции «Научное и техническое обеспечение исследований и освоения шельфа Северного Ледовитого океана». Новосибирск, 2012. -с. 151-154.

49. Алгазин Е.И. Метод борьбы с допплеровским смещением частотного спектра в инвариантной системе обработки информации / Е.И. Алгазин, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. Серия: цифровая обработка сигналов и её применение (выпуск XTV-1). Том 1. Москва, 2012. - с. 179-181.

50. Алгазин Е.И. Пути повышения скорости передачи и обработки информации в высокоскоростных СПД. / Е.И. Алгазин // Материалы российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций». - Новосибирск. - 1996. - с. 58.

51. Алгазин Е.И. Обработка сигналов на базе отказоустойчивых транспьютерных систем. / Е.И. Алгазин // Материалы российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций». - Новосибирск. - 1996. - с. 59.

52. Алгазин Е.И. Оценка эффективности оптимизации сигналов для кабельных линий связи. / Е.И. Алгазин II Материалы российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций». -Новосибирск. - 1997. - с. 154.

53. Алгазин Е.И. Каноническая модель канала связи с переменными параметрами. / Е.И. Алгазин.// Материалы российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций». -Новосибирск. - 1998. - с. 28.

54. Алгазин Е.И. Оптимизация спектра группового сигнала инвариантной системы передачи сообщений. / Е.И. Алгазин // Материалы Ш международной конференции «Современные информационные технологии СИТ-98». - Новосибирск. - 1998. - с. 153.

55. Алгазин Е.И. Анализ помехоустойчивости инвариантного метода передачи сообщений методами статистического моделирования. / Е.И. Алгазин // Материалы российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций». - Новосибирск. - 2004. - с. 43.

56. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы передачи сообщений. / Е.И. Алгазин // Материалы российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций». -Новосибирск. - 2005. - с. 32.

57. Алгазин Е.И. Инвариантный метод борьбы с допплеровским смещением частотного спектра / Е.И. Алгазин, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин // Материалы Российской научно-технической конференции «Современные проблемы телекоммуникаций». Новосибирск-2012. - с. 92.

58. Алгазин Е.И. Оценка помехоустойчивости инвариантной системы передачи информации передачи информации при наличии переходных процессов / Е.И. Алгазин, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин П Материалы Российской научно-технической конференции «Современные проблемы телекоммуникаций». Новосибирск-2012. - с. 93.

59. Алгазин Е.И. Помехоустойчивость инвариантной системы передачи информации при частотноселекшвных замираниях / Е.И. Алгазин, В.Б Малинкин, A.B. Малинкин // Материалы Российской научно-технической конференции «Современные проблемы телекоммуникаций». Новосибирск-2012.-с. 93-94.

60. Отчёт по выполнению комплекса работ по Программе фундаментальных и прикладных исследований ВУЗов связи Российской Федерации «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий». НИР «Разработка методов инвариантной передачи сообщений по каналам связи с переменными параметрами». Шифр «Аспект-Сибирь». Новосибирск. - 1997.

♦-Публикации в изданиях из перечня ВАК РФ.

Подписано в печать 07.06.2013

Формат 60x84 1/16 отпечатано на ризографе

Усл. Печ. Л. 2,3 заказ №45 Тирах 100 экз. СибГУТИ

630102, Новосибирск ул. Кирова 86

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОМУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекомуникаций и информатики»

На правах рукописи

Алгазин Евгений Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ

СИГНАЛОВ

Специальность 05.12.04 - радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Малинкин В.Б.

0мск-2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ БОРЬБЫ С МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ПОМЕХОЙ И ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОСТИ ИНВАРИАНТНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЧАСТНОЕ..........................................12

1.1 Классификация методов...........................................................................12

1.2 Обзор существующих инвариантных систем и принципы их построения........................................................................................................15

1.3 Относительные методы передачи............................................................18

1.4 Метод борьбы с мультипликативной помехой на основе свойств относительности среды распространения.....................................................21

1.5 Классификация инвариантных алгоритмов борьбы с мультипликативной помехой на основе частного и их структуры............34

1.5.1 Инвариантные алгоритмы обработки сигналов линейных ИСПС..34

1.5.2 Инвариантные алгоритмы обработки сигналов нелинейных ИСПС39 Выводы к первому разделу.............................................................................40

2 РАЗРАБОТКА ИНВАРИАНТНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ И АДДИТИВНОЙ ПОМЕХИ42

2.1 Особенности вычисления порогов в ИСПС...........................................44

2.2 Процедура выбора количества инвариантов при построении ИСПС.47

2.3 Оценка помехоустойчивости инвариантных алгоритмов обработки сигналов в линейных ИСПС при воздействиимультпликативной и аддитивной помех............................................................................................55

2.3.1 Независимые отсчеты аддитивной помехи.........................................55

2.3.2 Корреляция соседних отсчетов аддитивной помехи.........................79

2.3.3 Корреляция всех отсчетов аддитивной помехи..................................99

2.3.4 Сравнительный анализ характеристик инвариантах алгоритмов обработки сигналов в линейных ИСПС при неточном определении порогов...........................................................................................................105

2.4 Оценка помехоустойчивости инвариантных алгоритмов обработки

сигналов в нелинейных ИСПС при воздействии мультипликативной и

аддитивной помех..........................................................................................116

2.4.1 Независимые отсчеты аддитивной помехи.......................................116

2.4.2. Корреляция соседних отсчетов аддитивной помехи.......................131

2.4.3 Корреляция всех отсчетов аддитивной помехи................................147

2.4.4 Сравнительный анализ характеристик инвариантных алгоритмов обработки сигналов в нелинейных ИСПС при неточном определении порогов...........................................................................................................162

Выводы ко второму разделу.........................................................................174

3 ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ИНВАРИАНТНОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ПРИ ЧАСТОТНОСЕЛЕКТИВНЫХ ЗАМИРАНИЯХ И НАЛИЧИИ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ 176

3.1 Анализ известных моделей каналов с переменными параметрами... 176

3.1.1 Канал со случайно изменяющейся фазой сигнала...........................176

3.1.2 Канал с медленными общими замираниями.....................................179

3.1.3 Каналы с параметрами, зависящими от частоты и с быстрыми замираниями..................................................................................................184

3.2 Инвариантный алгоритм обработки сгналов при наличии

частотноселективных замираний.................................................................189

3.3 Инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии допплеровского смещения частотного спектра.........................................198

3.4 Оценка помехоустойчивости ИСПС при наличии фильтров приёмной

части канала связи.........................................................................................206

Выводы к третьему разделу.........................................................................210

4 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИНВАРИАНТНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ.......................................................................212

4.1 Построение передающих устройств ИСПС..........................................212

4.1.1 Передающие устройства ИСПС при обработке сигналов в частотной области........................................................................................212

4.1.2 Передающие устройства ИСПС при обработке сигналов во временной области.......................................................................................214

4.2 Построение приемных устройств ИСПС..............................................218

4.2.1 Техническая реализация инвариантной системы передачи сигналов на основе синхронного детектора...............................................................218

4.2.2 Техническая реализация инвариантной системы передачи сигналов на основе расширенного синхронного детектора.....................................219

4.2.3 Техническая реализация инвариантной системы передачи сигналов на основе линейного детектора...................................................................220

4.2.4 Реализация ИСПС на современных сигнальных процессорах.......221

Выводы к четвертому разделу.....................................................................225

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПС МЕТОДОМ СТАТИСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ......................................................226

5.1 Общие вопросы организации эксперимента........................................230

5.2 Результаты имитационного моделирования............................'.............232

Выводы к пятому разделу.............................................................................236

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................237

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................238

Приложения..........................................................................................258

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В общем случае в радиотехнических системах с цифровыми видами модуляции канал связи является нестационарным. В таком канале связи на передаваемый сигнал воздействует комплекс помех, таких как мультипликативная помеха, частотноселективные замирания, сдвиг частотного спектра, аддитивная помеха. Кроме того, наличие фильтров в тракте приёма радиотехнической системы обуславливает возникновение переходных процессов, которые в свою очередь, снижают помехоустойчивость. Среди радиотехнических систем с цифровыми видами модуляции нами рассмотрены цифровые системы передачи данных. Помимо цифровых систем передачи данных в общепринятом понимании нами анализируются инвариантные системы передачи сигналов (ИСПС), под которыми понимаются системы, основанные на использовании относительных методов модуляции с информационным и обучающим сигналами.

Традиционные способы борьбы с мультипликативной помехой включают в себя: разнесение приёмных устройств в пространстве, использование метода автовыбора, устройств автоматической регулировки усиления (АРУ), адаптивных методов, априорной компенсации помех, систем с обратной связью, систем с шумоподобными сигналами и приём сигналов на различных частотах [10, 12, 25, 38, 77, 163].

Борьба с частотноселективными замираниями осуществляется методом разнесения приёмных устройств в пространстве и использования шумоподобных сигналов [10, 77, 142, 163].

Компенсация сдвига частотного спектра, обусловленного допплеровским эффектом, заключается в использовании фазоразностной модуляции второго порядка, применении устройств фазовой автоподстройки частоты, метода автовыбора, линейной частотной модуляции (ЛЧМ) [9, 10, 11, 14, 33].

Следует отметить, что перечисленные выше методы повышения

помехоустойчивости имеют сложную аппаратную реализацию, либо требуют передачи по каналу связи дополнительного детерминированного сигнала, называемого пилот-сигналом.

Внесение избыточности в передаваемый сигнал с помощью помехоустойчивого кодирования не всегда оправдано, поскольку требует для своей реализации сложных алгоритмов демодуляции и при допплеровском смещении частотного спектра является неэффективным. Кроме этого следует отметить, что данные алгоритмы требуют определённого времени вхождения в рабочий режим, или в режим синхронизации.

Большой вклад в решение проблемы борьбы с замираниями в канале с переменными параметрами внесли работы отечественных учёных Тихонова В.И., Кремера И .Я., Владимирова В.И., Карпухина В.И., Васильева К.К., Петровича Н.Т., Кловского Д.Д., Сифорова В.И., а также труды многих зарубежных исследователей Р. Прайса, Грина П.Е., Т. Кайлата, Дж.Н. Пирса, Бренанна Д.Г., Турина Г.Л., С. Стейна, Б. Барроу и других.

Эффективным способом решения проблемы борьбы с замираниями в нестационарном канале связи с переменными параметрами является метод, учитывающий инвариантность и свойства относительности среды распространения. Основателем использования свойств относительности является отечественный учёный Н.Т. Петрович. Его идеи обобщены и развиты в работах Кловского Д.Д., Заездного A.M., Окунева Ю.Б. и Раховича Л.М.. Идеи использования относительных методов модуляции получили дальнейшее развитие в работах М.Н. Петрова, В.В. Лебедянцева и В.Б. Малинкина. Однако проблема повышения помехоустойчивости радиотехнических систем на основе этих двух методов в полной мере ещё не решена. Эти два метода на сегодняшний день позволяют получить

-2 /г

помехоустойчивость на уровне 10" - 10" при соотношении сигнал / шум (h) равном 9-12 Дб.

Помехоустойчивость классической AM модуляции гораздо ниже,

поскольку вероятность ошибки при АМ модуляции составляет 1СГ6 при соотношении сигнал/шум равном 14 Дб.

Разработанные в данной диссертационной работе инвариантные алгоритмы обработки сигналов на основе относительной амплитудной модуляции позволяют с помощью отношения информационных и обучающих сигналов формировать и обрабатывать информационные параметры, обладающие высокой помехоустойчивостью. В то же время эти информационные параметры не требуют передачи большого количества сигналов, а это позволяет использовать их в качестве управляющих и информационных.

Практическая реализация предложенных инвариантных алгоритмов базируется на применении цифровых технологий обработки сигналов.

Данная диссертационная работа посвящена разработке и исследованию инвариантных алгоритмов (т.е. алгоритмов, основанных на вычислении инвариантов) повышения помехоустойчивости цифровых систем передачи данных с относительной амплитудной модуляцией, основанных на использовании информационных и обучающих сигналов. В данных алгоритмах передаваемая информация (инвариант) заложена в отношение комплексных спектров информационного сигнала к обучающему. Эти алгоритмы использованы для борьбы с воздействием мультипликативной помехи, частотноселективными замираниями и аддитивной помехой, а также для компенсации сдвига частотного спектра в каналах связи с переменными параметрами, т.е. со всеми известными дестабилизирующими факторами, присущими нестационарному каналу связи.

Целью работы является повышение помехоустойчивости радиотехнических систем на основе использования инвариантных алгоритмов формирования и обработки сигналов как в частотной, так и во временной области. В соответствии с этой целью решены следующие задачи: 1. Разработаны элементы теории формирования и обработки сигналов с

помощью линейных и нелинейных инвариантных алгоритмов, базирующихся на относительной амплитудной модуляции.

2. Произведена оценка помехоустойчивости радиотехнических систем, использующих инвариантные алгоритмы обработки и формирования сигналов при наличии мультипликативной и аддитивной помехи.

3. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии частотноселективных замираний, основанный на использовании относительных методов модуляции и оценена его помехоустойчивость.

4. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии допплеровского смещения частотного спектра, основанный на использовании относительных методов модуляции сигналов и оценена его помехоустойчивость.

5. Исследованы свойства инвариантной системы передачи сигналов с учётом частотных свойств фильтров приёмной части канала связи и даны рекомендации по формированию сигналов информационной и обучающей последовательности.

6. С помощью математического и статистического моделирования подтверждена адекватность результатов исследования.

Методы исследований, используемые в работе, базируются на теории вероятностей, методах оптимального приёма, методах построения инвариантных систем передачи сигналов, теории функций комплексного переменного, теории линейных и нелинейных систем, теории фильтров, временных и частотных методах анализа цепей.

Комплексное исследование характеристик помехоустойчивости инвариантных систем передачи сигналов проводилось методами статистического моделирования на ПЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: 1. Разработаны инвариантные алгоритмы с линейной и нелинейной обработкой и формированием сигналов, некритичные к воздействию

мультипликативной помехи, позволяющие уменьшить влияние аддитивной помехи и получить выигрыш, равный 0,8 дБ, при вероятности ошибки, равной 10~3, по сравнению с традиционными алгоритмами.

2. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии частотноселективных замираний, позволяющий получить выигрыш,

_о

равный 10 дБ, при вероятности ошибки, равной 10 , по сравнению с традиционными алгоритмами.

3. Разработан инвариантный алгоритм обработки сигналов при наличии допплеровского смещения частотного спектра, позволяющий получить выигрыш, равный 4,5 дБ, при вероятности ошибки, равной 10_3, по сравнению с системой без компенсации смещения частотного спектра.

4. Исследованы свойства инвариантной системы передачи сигналов (ИСПС) при влиянии фильтров на помехоустойчивость ИСПС, при этом разработана программа расчёта влияния этих фильтров на помехоустойчивость.

5. Разработана имитационная модель инвариантной системы передачи сигналов.

Практическая ценность состоит в повышении помехоустойчивости ИСПС за счёт разработанных инвариантных алгоритмов формирования и обработки сигналов.

Создано программное обеспечение, обеспечивающее расчёт статистических характеристик инвариантных радиотехнических систем передачи сигналов.

Внедрение работы. Исследования, проведённые в ходе выполнения диссертационной работы составили основу научно-исследовательской работы «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий», посвящённой разработке теории инвариантных систем передачи сигналов.

Разработанное программное обеспечение, позволяющее оценить

помехоустойчивость инвариантной системы передачи сигналов, использовано на предприятиях: ООО «Аилайн кэмьюникейшнс СНГ» и ЗАО «НПП РОТЕК-Новосибирск». Результаты работы использованы в учебном процессе ФГОБУ ВПО Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики при подготовке студентов по специальности 210700 - Многоканальные телекоммуникационные системы.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, докладывались и обсуждались на

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-1996;

- Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-1997;

- Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-1998;

- Третьей международной конференции «Современные информационные технологии СИТ-98», Новосибирск-1998;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-2004;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск-2005;

- Международной конференции «2005 Microwave Electronics, Measurement, Identification, Application - MEMIA 2005», Новосибирск-2005;

- Международной 9-й конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2008, Новосибирск-2008;

- Международной 10-й конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2010, Новосибирск-2010;

- Российской научно-технической конференции «Современные проблемы телекоммуникаций», Новосибирск -2012;

- Международной 11-й конференции «Актуальные проблемы электронного

приборостроения» АПЭП-2012, Новосибирск-2012.

Кроме того, основные результаты диссертации докладывались на:

- Семинаре кафедры «Системы передачи информации» Омского государственного университета путей сообщения под руководством д.т.н. профессора Митрохина В.Е.

- Расширенном семинаре кафедры «Многоканальная электрическая связь и оптические системы» Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики под руководством к.т.н. профес