автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Повышение помехоустойчивости систем передачи данных по авиационным каналам связи в условиях действия радиопомех с различными вероятностными характеристиками

министерство транспорта российской федерации департамент воздушного транспорта московский государственный технический университет гражданской авиации

На правах рукописи Й Экз.* . 13

'91*6

УДК 621.396.933

ВОСКРЕСЕНС1СИИ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШШЕ ПОЖХОУСТОИЧИВОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО ЛВИЛШ01ШШ КАНАЛАМ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ РАДИОПОМЕХ С РАЗЛИЧНЫ},^ ВЕРОЯТНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность: 05.12.02 - "Системы я устройства передачи информации по каналам связи"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работе выполнена на кафедре теоретической радиотехники Московского государственного технического университета гражданской авиации.

Научный руководитель - член-иорресиондент Академия транспорта I1» доктор технических наук профессор

В.Д.РУБЦОВ

Официальные опоненты - доктор технических наук профессор

А.И. ВЕЛИЧКИН

кандидат технических наук доцент А.Л. СЕНЯВСКИИ

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем.

Запита диссертации состоится "_"_1994 г.

в _ часов на заседании специализированного совета

Д 072.05.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 12&4СЗ Москва, ул. Пулксскоя, 6а

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке МГТУ ГА Автореферат разослан "__"___1994 г.

Отзыв ив автореферат в двух экземпляре . .зоьорешшП печатью, просим направлять по адресу: 12Ь493, Москва, Кродатадский бульвар, д.20 на имя ученого секретаря специализированного совета.

учений секретарь сп«ииялпзиров!,;Шого совете кгощмднт теинйчвскуг* ниуи доц»ит

и.нл')омчхеной

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрастающая интенсивность воздушного движения усложняет задачи, решаемые службами управления воздушным движением (УВД) по обеспечению требования безопасности, регулярности и экономичности полетов.

Успешное решение этих задач требует совершенствования технических средств, обаспэчиввпзях определение местопологення воздушного судна (ВС) как на борту, так и службами УВД при полете по трассе, маневрирования в раЛсне аэродрома, посадке при любых метеоусловиях.

Основпюгя направлениями совершенствования технических средств комплекса УВД является внудренно систем автоматизации самолетовождения, повышение точности и надежности различных систем навигации за счет комшшсирования с системами передачи данных, например,при реализации диМереинявлыгах рекимов работц СРНС и РСДН.

Все это обуславливает увэллчоние объемов швформации, передаваемой по радиоканал™, используемым в гражданской авиации для передачи данных.

При этом к системам передачи навигационной информации предъявляются попиленные требования по помехоустойчивости в условиях действия радиопомех различного происхождения, имепцих в основном пегауссов квазиимпульсный характер.

Но тоет и алгоритмы демодуляции цифровых сигналов при действии таких помех известны, в то время как эффективность использования различных помехоустойчивых кодов и процедур поре/го копия двоич1шх символов в сообщении для данного слувя исследована недостаточно. Поэтому исследование вопросов применения помехоустойчивых кодов, определение границ ах эффективного применения при наличии негауссовых квазиимпульсных радпопомох является актуальной задачой для разработки высокоэффективных систем обмена данными по авиационным каналам радиосвязи.

Для авиационных каналов передачи данных ДМВ диапазона^споль-зупких импульсные сигаапы, где помехи носят преимущественно гауссов характер и в.общем случае являются коррелированным, актуальное задачей является оптимизация формы сигнала и его обработки максимизирующая отпооение сигнал/шум (ОСИ) на выходе приемника.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работа является повышение помехоустойчивости систем передачи дшмых по авиационным каналам1 связи при воздействии непреднамеренных радиопомех о различными характеристиками.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ спектральных и статистических характеристик непреднамеренных радиопомех, оказывающих мешающее воздействие в различных радиочастотных диапазонах, используемых для передачи данных в гражданской авиации.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование выбора модели квазиимпульсных радиопомех и процедур их имитационного моделирования с помощью метода статистических испытаний на ЭВМ .

3. Оценка потенциальной пропускной способности, энергетической и частотной эффективности радиоканалов с негауссовимк кваэн-импульсными помехами.

4. Анализ эффективности блочных и сворточпых помехоустойчивых кодов в условиях дойствия непреднамеренных квазиимпульашх помах при традиционной литейной обработка сигналов в демодуляторе.

5. Анализ эффективности блочных и сверточшх помехоустойчивых кодов в условиях действия непреднамеренных квазиимпульсных помех при квазиоптимальной нелинейной обработке сигналов в демодуляторе.

6.Оценка влияния процедур перемежения данных на эффективность помехоустойчивого кодирования.

7. Разработке рекомендаций по выбору видов помехоустойчивых кодов,глубины перемежения символов,обеспечивающих заданный уровень помехоустойчивости в цифровых авиационных каналах связи при воздействии непреднамеренных квазиимпульсных помех.

8. Оптимизация процедур формирования сигнала и его обработки при приеме сигналов в условиях действия нормальных коррелированных помех.

Методы исследования. В работе используются метода теории вероятностей, теории случайных процессов, вычислительной математики, вариационного исчисления я статистических испытаний на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следу тем.

I. Дана оценка потенциальной частотной и внергвтичесхой эффективности радиоканала в условиях действия непреднамеренных ква-а кишу ль сны* радиопомех.

2. Предложена методика имитационного моделирования квазиимпульсных помех, с использованием распределений длительностей выбросов и интервалов между ними, полученных в рамках логонормальной модели огяОащей импульсной составляпцей квазиимпульсной радиопомехи. Получены простые аппроксимации этих распределений.

3. На основе предложенной методики моделирования квазиимпульсных помех проведено исследование эффективности ряда сверточных и блочных помехоустойчивых кодов, а также процедур пе реме кения данных. Даны рекомендации по их применению.

4. Решена задача совместной оптимизации формы сигнала и его обработки, максимизирующих ООН на выходе оптимального приемника при наличии нормальных коррелированных помех и ограничениях на длительность, энергию и спектр сигнала.

Практическая значимость работы. Предложенная в работе методика моделирования помех позволяет учитывать при моделировании реальные условия приема цифровых сигналов, частотный диапазон, степень кяпульсчости помех, зависящую от высоты, времени года, суток, состояния атмосферы,степени урбанизация подстилащей поверхности п точке приема

Использование модели позволяет производить сравнительный анализ эффективности различных видов сигналов, помехоустойчивых кодов и процедур перемещения для цифрового канала связи с квази-пшульсными помехами.

Простота программной реализации процесса моделирования позволяет доводить число статистических испытаний вплоть до величины 1оГ, что повышает достоверность полученных результатов.

Для ДМВ канала передачи данных с импульсным сигналом предложена методика оптимизации формы импульса в условиях действия гауссовых коррелирования . помех, что позволяет оценивать проигрыш в ОСШ на выходе оптимального приемника при использовании сигналов, форма которых отличается от оптимальной.

На защиту выносится:

1. Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости имитационной модели квазиимпульсных радиопомех типа атмосферных и индустриальных, базирующейся на аналитическом описании вероятностных характеристик выбросов огибеиаей помехи.

2. Результата оценки потенциальной частотной я энергетической

эффективности для систем передачи информации в условиях действия квазиимпульсних радиопомех.

3. Результаты анализа эффективности различных помехоустойчивых кодов и процедур перемэження данных, рекомендации по построению кодеков для работы в условиях действия квазиимпульсных помех.

4. Методика нахождения сигналов оптимальной формы при наличии коррелированных помех и ограничениях на энергию и спектр сигнала.

Внедрение результатов работы.Результаты диссертационной работы внедрвшпв Опытно-конструкторском бюро "Компас-М"(ОКР "Поправка"); в Московском конструкторском бюро "Компас" (ОКР "Спрут"); в НИР, проводившейся в ЫГТУ ГА, "Исследование принципов построения спутниковой системы связи для обеспечения полетов ВС ГА МВД и при ПАНХ" (тема 13-86).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались я обсуждались:на XI научно-технической конференция, посвященной дню Радио (г.Москва НТО РЭС им. А.С.Попова, 17-18 апреля 1965 г.); на межотраслевой научно - технической конференции " Применение методов оптимальной фильтрации в радиотехнических системах" (г.Москва, ВВИАим. проф. Жуковского, 15-17 марта, 1939 г.);на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов"^.Киев, КНИГА, 13-15 сентября 1989 г.); на двенадцатом регионально-республиканском семинаре " Элементы приемно-усилитель-ных устройств" ( г.Таганрог ТРТИ им.В.Д.Калмыкова, 11-14 октября 1969 г.);на внутр/вуэовской научно-технической конференции "Обеспечение безопастности полетов и экономичности эксплуатации воздушного транспорта" ( г.Москва , МШГА, 25-26 апреля 1991г. ); на Международной научно - технической конференции. "Наука и техника гражданской авиации на современном этапе" (г. Москва, МГТУ ГА, 1517 марта 1994 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, получено одно авторское свидетельство.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения,четырех разделов, заключения, списка использованых источшиюв ( 76 наименования) и приложений. Материалы диссертационной работы , изложены на 178 страницах, включая 37 рисунков, 4 таблицы, и 3 приложения нь 24 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, сформулирована цель работы и задачи, которые необходимо решить для ее достижения, приведена структура изложения материала по разделам. Изложены новые научные результаты, полученные в работе, ее практическая ценность, апробация и реализация. Сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ поме-ховой обстановки в радиочастотных диапазонах, отведенных гражданской авиации, которые могут быть использованы для обмена цифровой инфомацией. На основании анализа заимствованных экспериментальных данных о спектральных и статистических характеристиках радиопомех отмечено, что в ДКМВ и МВ частотных диапазонах помехи поспт в основном негауссов характер и т могут быть описаны в рамках нормальной модели. В этих диапазонах присутствуют атмосфенне, индустриальные и электростатические помехи, имеющие ярко выраженный квазиимпульсный характер, и только на частотах, превышениях 300 МГц, радиопомехи можно считать 1'ауссовскими.

При обзоре существующих моделей радгопомех для использования в работе основнымн критериями выбора являлись:возможность двумерного описания радиопомех в исследуемых диапазонах н адекватность полученных в рамках этих моделей статистических распределений реальным распределениям, полученным для тех ж- условий экспериментально.

Необходимость двумерного описания радиопомех диктуется условиями поставленной задачи по исследовании помехоустойчивых кодов в условиях действия квазиимпульсных помех, так как лишь в этом случае удается отразить в достаточной степени зф}окт пакетирования ошибок, характерный для этого типа помех. При традиционном способе имитационного моделирования по одномерному амплитудному распределении происходит изначальное перемешивание отсчетов помехи, вследствии чего рвутся корреляционные связи между ними, что некорректно.

В результате анализа существующих моделей дня описания квазиимпульсных радиопомех наиболее конструктивной оказалась нормально эагрязненая модель помехи,легко согласующаяся с эксперемон-тальными данными через параметр ямпулъсности V<i:

уч = го 1в{ <?'>'/<е>\

где Еа)-огибающая радиопомехи; < > - обозначает усреднение. Модель включает две компоненты: импульсную и фоновую. Импульсная подчиняется логонормальному закону. Для нее существуют аналитические выражения распределений выбросов огибащей помехи. Фоновая компонента описывается нормальным распределением. Доля энергии фоновой составляющей в общей энергии помехи связана с параметром известными из литературы эмпирическими зависимостями

для индустриальных помех, для атмосферных помех.

В рамках данной модели предполагается статистическая независимость импульсной и фоновой составляющих помехи,. что является основанном для их раздельного аналитического описания и независимого, раздельного формирования при имитационном моделировании.

Принцип построения модели квазиимпульсной помехи состоит в том, что до нечала моделирования мы формируем реализацию импульсной составлявдей в виде последовательности выбросэв, статистика расположения которых на оси времени описывается распределениями, полученными в рамках логонормальчой модели, а затем в процессе моделирования интервалы между выбросами заполняем двумерным гаус-совским шумом.

Моделирование импульсной составляющей осущетвляется на основании распределений длительности выбросов огибающей помехи и расстояний между ними для разпи'шых уровней помехи путем расстановки на оси времени импульсов огибащей помехи. Все выбросы при формировании имеют одну и ту: хц? форму и отличаглс лишь масштабными коэффициентами. Расстановка производится для нескольких уровней, статистика пересечения которых известна из аналитических выражений.

Формирование релизвции импульсной компоненты начинается с самого верхнего уровня и заканчивается ближайшим к уровню фона, (Зря этом для каждого тороса ла текущем уровне длительное! о и удаление от предающего определяется на оснорвнии соответствий рас-

пределения по методу Монте-карло, после чего исходя из полосы пропускания приемника определяются его масштабный коэффициент и длительность на уровне фона.

Таким образом, для описания каждого выброса достаточно двух чисел, а для описания реализации - двумерного массива, длина которого равна числу выбросов, превысивших уровень фона за время моделирования. Длительность реализаций составляет сотни секунд в зависимости от импульсности помехи и обьема доступной машинной памяти.

Предпологается , что фаза помехи внутри выбросов постоянна и равномерно распределена, поскольку время прихода каждого импульса случайно. О учетом этого пол>ченше отсчеты импульсной составляющей преобразуются в квадратурные составляющие помехи.

Фоновая компонента помехи формируется непосредственно в ходе моделирования в виде двух квадратурных двумерных нормальных независимых друг от друга процессов, что является справедливым при симметричном спектре помэхи.

Применимость описанной вше модели для описшшл квазнимпульс-1шх радиопомех оценивалась путем сравнения с экспериментальными данными, получегашми для индустриальных и атмосферных радиопомех при равных значего1ях параметра Vd. Сравнению подвергались амплитудные распределения, распределения длительностей выбросов и интервалов моаду пиш, а также среднее числс лересечешй задшшого уровня в единицу времени. Для получения указанных характеристик имитациошюй модели и сравнения их с эксльраментом были нашсшш специалыше программы.Результаты сравнения позволили сделать вывод о пригодности дагагай подо ли для имитационного моделирования квазиимпульсных помох в рассматриваемых радиочастотных диапазонах.

Во второй главе диссертационной работа исследувгся вопросы применения помехоустойчивого кодирования для повыяоння э$1вкиш-ности передачи данных по цифровым каналам связи с шгвуссошми квазиимпульсными помехами при лилейном приеме.

Согласно теореме Иэннона.если производительность источника не прерыпаот пропускной способности копала с помехемн, го существует способ кодирования и модуляции,позволяющий передавать все сообщения со сколь угодно малой вероятность» ошибки. К сожаления, reo-

рема не указывает конструктивного пути для их нахождения.

Для гауссовского канала связи граница Шеннона определена в аналитически может быть представлена как зависимость РСт), где 7 и р .соответственно, частотная и энергетическая эффективность канала связи, каждая из которых имеет смысл удельное пропускной способности канала

Я Я

Р = (Р.//М ' 1 " Т • ■

где В - полоса частот, занимаемая каналом; Л/Я» - отношение сигнал/помеха на входе приемника;« - скорость передачи данных, которая в данном случае принимается равной потенциальной пропускной способности канала С.

В данной главе численными методами определяется граница частотной и энергетической эффективности систем передачи информации М7и) для каналов связи с негауссовыми квазиимпульсными помехами, модель которых описывается в первой главе, В дальнейшем эта граница. зависящая от Чй как от параметра, используется для оценки эффективности различных кодов я процедур в рассматриваемом канале передачи данных.

Основой для получения информации о характеристиках помехоустойчивости, энергетической и частотной эффективности кодов и процедур перемежения данных служит моделирование цифрового канала передачи.данных с квазиимпульсными помехами. При моделировании использовалась имитационная модель, разработанная в первой главе. В качестве метода модуляции чыбрана Ш - как самый помехоустойчивый метод модуляции, характеристики которого традиционно служат эталоном при сравнении различных процедур обработки.

В работе исследовались:

- сверточные коды (7,5); (17,15); (35,23); (75,33); (73,61); (133,171) декодируемые по алгоритму Ватерб! о мягким восьылуров-невым решением в демодуляторе;

- блочные ¿юды: ход Хеминга (7,4,3), БЧХ (16,7,5), код Голая (23,12,7) - декодируемые декодером Кеггитта; разностные кода (21, 11,6) и (73,45,10) при пороговом одаошаговом декодировании; уко-короченний дважды циркулянтный код (47,24,11) про могоритарппм, двухи.аговом декодирования ( все блочные коды декодировались при жестком репеыга в демодуляторе );

-II- процедуры пере метания; данных по регулярному и псевдослучайному законам.

Исследование эффективности помехоустойчивых кодов при линейной обработке сигналов в приемнике проводилось для радиоканала о параметрами:

- скорость передачи С* 4800 бит/с

- полоса пропускания приемника дР= 4.8 кГц (9.6 кГц)

- типы помех: атмосферные и индустриальные

- парамотр ямпульсности помех 2, б, 8, 10, 12 <ЗВ, Результаты моделирования показали, что в отсутствие помехоустойчивого кодирования при линейном согласованном приеме 4М сиг-палов в условиях действия пегауссовых кввзиимпульсных помех помехоустойчивость и энергетическая эффективность канала(по сравнения со случаем гауссовского путла тсЯ не мощности)сушаственно епп-кается, в то время как потенциальная энергетическая эффективность при этон растет. Например, для индустриальной помехи с Гс1 » 5 ей при вероятности окюки па шходе декодера 2 10** проигрш в р составляет 17 <23, в то время кок потенциальная энергетическая эффективность канала возрастает при этом на 3.9 ОВ. Причем, значительное увеличение ОСИ оказывается не аффективным, т.к. не приводит к супзстаотгому росту помехоустойчивости канала и уменьшает его р.

Использование помехоустойчивого кодиров_дия в канале передачи данных с квазкимпульеннки помехами в отличие от случая гауссовс-кого канала дсет суквствегашй выигрыш в р при незначительном про-игрншэ в 7, что позволяет приблизиться к предельной зависимости Р»(7м). Например, для индустриальной радиопомехи (7<1 « 5 сШ, Р» «= 10"*) применение простейвдго сверточного ¡года (7,5) при мягком решении в демодуляторе и использовании процедур перемежения позволяет получить внмгрия в р не менее 35 <13 при проигрыш 3 03 в т.

Виэсте с тем, полоззггелъпыЯ еффэкт от помехоустойчивого кодн-ровштпя проявляется лсть при вероятности тлеют на выходе декоду-дулятора по гало Ю"*. В протаепон случаэ декодер начинает раа-мнохать ояибки. Пороговое значение ОСИ, при котором лостигсотся положительный выигршз от нодиропяпяя,зависит от используемого кода и метода ого декодирования. В целом, эффект от кодирования попростеет с ростом длтнч я свободного расстояния кода.

Сравнение эффективности блочных и сверточных кодов при сопоставимой скорости кодов и удельного времени обработки показало,что при прочих равных условиях сверточный код с мягким решением в демодуляторе при использовании алгоритма Витерби обладает большей корректирующей способностью, чом блочный при жестком решении в демодуляторе и оптимальном (или мажоритарном, но близком к оптимальному) алгоритме декодирования. Например, для сверточного кода (31,33) и блочного кода (32,16) при Р»= Ю"4 разница в ОСШ составила 4,1 сЮ. Причинами этого, по видимому, являются неравномерность расстояний между словами блочного кода и жесткое решение в демодуляторе.

Использование процедур перемежения символов данных явилось действенным способом повышения эффективности помехоустойчивого кодирования в особенности для коротких кодов, что, по-видимому, вызвано разбиванием пакетов ошибок, справиться с которыми коррёк-тирувдая способность кодов ранее не позволяла. Так .например, выигрыш за счет перемежения данных при использовании сверточного кода (5,7) при вероятности ошибки Р.=10"4 составил 2,6 с1В при глубине перемежения в 20 символов.

Исследование влияния глубины перемежения данных на действенность помехоустойчивого кодирования показало, что положительный эффект достигается всегда, но наибольший его рост для каждого конкретного кода проявляется, когдз глубина перемежения икает порядок длины кода, т.е.,когда разнесение символов становится соизмеримым с длиной кода. Дальнейшее увеличение глубины перемежения символов к существенному эффекту не приводят.

Исследование влияния закона перемежения данных на эффективность помехоустойчивого кодирования показали, что с возрастанием глубины перемежения эффзктивность различных способов перемежения растет неодинаково. При периодическом эремежении зависимость вероятности ошибки на выходе декодера от глубинны перемежения может иметь провалы. При непериодическом псевдослучайном законе перемежения рост помехоустойчивости носит плавный характер. Причиной этого, по-видимому, является тот факт, что модные выбросы помехи амеют некоторые средний период, при кратности которому регу-, ляривя периодическая процедура перемежения разбивая одня пакеты овибок, создзет на кх месте другие.

В третьей главе диссертационной работы исследуется помехоустойчивость и эффективность цифровых систем передачи дотшх с <Ш сигналом по авиационным каналам связи, использующих помехоустойчивое кодирование и процедуру перемещения дашшх при квазиопти-. сальном приеме сигналов в условиях действия квазиимпульсных радиопомех.

При исследовании используется имитационная модель помех, разработанная в первой главе, и квазиоптимальный, для датой помех, приемник, использующий предельное ограничение смеси сигнала и помехи. Характеристики этого приемника близки к характеристикам ас-симптотичоски оптимального приемника, построенного на основания первого члена разложения в ряд Тейлора выражения для апостериорной функции плотности распределения вероятности помехи. Этот приемник является оптимальным лишь при малом ОСШ и независимых отсчетах, что требует производить предварительную <1ильтр8цик) в возможно более широкой полосе. В реальных каналах авиационной радиосвязи возможности расширения полосы входного ©иьтра ограничиваются избирательностью по соседнему каналу, поэтому при моделировании было принято Впк/Ве * 2, ГДв Вьх - ПОЛОСЭ ВХОДНОГО {ЯЛЬТрв приемника, Вс- ширина спектра сигнала.

В ходе исследований использовались те же коды,процедуры пере-межения, типы помех, что и во второй главе.

Моделирование производилось для случаев минимальных для Д1ШВ диапазона значекчй Ус1» 8 сШ и Ус!» 5 <ЗВ - наихудших случаев при квазиоптимальном приеме сигналов, т.к. увеличение Ус! при пороговом ограничении смеси приводит к повышению помехоустойчивости и энергетической эффективности канала.

. Результаты моделирования подтверждают известный результат,состоящий в том, что переход от линейной обработки сигналов в приемнике к квазиоптимальной о ограничением смеси позволяет существенно увеличить помехоустойчивость передачи данных. Наибольший эффект при этом достигается для случая атмосферных помех, а наиболее опасной, в силу большей фоновой составляющей, носящей гауссов характер, является индустриальная радиопомеха,характерная для коротковолновой части ДКМВ диапазона.

Как я при линейном приеме, увеличение отиоаеяхя сигйм/нум «валяется энергетически неэффективным штодом повлеягя помехоус-

тойчивости СПИ, 8 использование помехоустойчивого кодирования позволяет существенно (по сравнению со случаем нормальных помех) увеличить помехоустойчивость я энергетическую эффективность системы за счет некоторого снижения частотной. Например, для атмосферной помехи (Ус* = 5 (¡В Р-* 10'") использование сверточного кода (7,5) позволяет получить выигрыш в 0 не менее 35 Ой при проигрыше в 7 3 сШ.

Особенностью использования блочных помехоустойчивых кодов при квазиоптимальном приеме является то, что вероятность ошибки, достаточная для получения положительного аффекта от блочного кодирования, достигается на выходе демодулятора с жесгкш решением при малых и средних значениях ОСШ. Это позволяют использовать даже короткие, (например,(15,7,5))блочные кода для получения требуемых) уровня помехоустойчивости ( Ре=10~*) на выходе канвла передачи дашшх.

Свврточное кодирование при декодировании по алгоритму Витер-би и мягком решении в демодуляторе позволяет получить в рассматриваемом канале для кодов с v>Z вероятности ошибки на выходе декодера порядка 10"* и менее, при ОСШ менее 15 ей, что делает сверточное кодирование предпочтительнее блочного. Использование длинных сверточных кодов по помехоустойчивости приближается к системам с каскадным кодированием.

, Эффективность процедур перемежения, влияние его закона и глу-глубины на помехоустойчивость передачи при квазиоптимальном приеме заметно ниже, чем при линейном, в особенности, для длюпшх блочных кодов. Необходимость его использования сохраняется для коротких блочных или сверточных кодов.

В целом анэлиз результатов, полученных в рамках третьей главы показывает, что при квазиоптималыюм приеме сигналов в условиях атмосферных радиопомех использование помехоустойчивого кодирования позволяет повысить энергетическую эффективность р до уровня геуссовского канала ( при проигрыше последнему в 7 равном 3 ОВ) и обеспечить достаточный ( Л=1СГ*) уровень помехоустойчивости дл». передачи навигационной информации по цифровым каналам связи. При необходимости в этом канале может быть обеспечена ь-зроятность ошибки от 10"® до 10"р на бит в зависимости от используемого кода, глубины и закона перемежения пра ОСШ не болов 15 дВ.

В четвертой глава рассматриваются вопроси оптимизации формы сигнала при передаче данных импульсными последовательностями в условиях действия внешних или внутренние гауссовых коррелированых помех , имеющих место в диапазоне 730...1030 Мгц.

Рассматривается наихудший с точки зрения маскирующей способности случай помехи с симметричным спектром. Оптимизация проводится по критерию максимума отношения сигнал/шум на ваходе оптимального приемника.

В качестве искомой выступает сигнальная функция a(t) узкополосного сигнала

art)' a(tjcoa[vh(t-,e°) * <pj, О < : s Г,

связанная с функцией fit), участвующей в обработке сигнала в качестве весового множителя уравнением

ait) л }r(t,x)f(t)dt, 0 < t.т < ¡Г,

о

где rft.t; - "огибающая" корреляционной функции аддитивной, в общем случае нестационарной гауссовой помехи с корреляционной Функцией

8lt,x)- r(t,x)coaiuh(t-x)). Поиск производится в пространстве Ut функций, интегрируемых о квадратом на интервале от О до Т.

Для отыскания оптимальной формы решается вариационная зэдача на максимум функционала

»

Р* fa(t)flt)dt

о

при ограничениях на энергию сигнала и его спектр.

Для отыскания максимума функционала р* с ограничениями в данном случае используется оценка его значения с помощью неравенства Гельдора, что позволяет снять вопрос о достаточных условиях абсолютного максимума функционале р'.

При исследовании выясняется, что нвлояенио ограничений па энергетический спектр сигнальной функции, при построения функционала р* с ограничениями в общем случае не позволяет достичь абсолютного максимума р' в (/,, ь» исключением частного случая.

который может быть найден при решении экстремальной задачи без прямых спектральных ограничений, т.е. в более простой постановке.

Для атого надо найти класс функцнй,максимизирувдих функционал р* в пространстве Ut при единственном ограничении на энергии сигнала, а затем, сузив его, с учетом заданных спектральных ограничений, найти единственную оптимальную функцию a0(t) и соответствующую ой f„(t). При этом задача сводится к нахождению собственных значений и собственных функций действительного,, симметричного, полного ядра rft.tj однородного интегрального уравнения Фродгольма вторе.о рода. Из множества собственных функций выбирается одна с учетом задашшх спектральных ограничений. Теория интегральных уравнений гарантирует существование полной системы функций .ядра r(t,i).

Результаты исследований показывают, что абсолютный максимум ОСШ достигается, когда сигнальная функция пропорциональна весовой и является собственной функцией ядра r(t,i), причем, значение ОСШ пропорционально собственному значению, которому соответствует используемая в качество сигнальной и весовой собственная функция. В отсутствие ограничений на спектр сигнала величина ОСШ возрастает до бесконечности с ростом номера собственной функции ядра за счет расширения спектра сигнала а перераспределв1шя анергии в нем, поэтому об оптимальности сигнальной и весовой функций при заданной узкополосной помехе можно говорить только при ограничении на энергетический спектр сигиала.

Диасретность набора собствашшх функций обуславливает диск-ротаость соответствующих им величин энергетических спектров. Если требуемая ширина эпоргетического спектра дожит мевду соседшши значениями дискретного ряда, то сжимая во времени Функцию, соот-вотствуюцую нижнему значашпо, можно добиться равенства оиршш анергетического спектра этой собственной функции тробуемой величине. Полученная функция будет оптимальной, т.к. при этом мы останемся в границах рассматриваемого функционального пространства.

Исследования подтвердили ргшое полученный в дискретном врс -мони результат, что,если в составе коррелированной помехи имеется составляющая белого шума, то результирующее ОСШ не провисит величины ОСШ, которая была бы на выходе оптимального приемника при наличии только этой составляющей независимо от того, сколь велико

могло бы быть ОСШ в ее отсутствие.

Приведено решение задвчи нахождения функций,максимизирующих р' при ограничениях на ширину энергетического спектра сигнала и требований на поведение функций в отдельных точках. Ограничения на поведение функции могут вводиться в задачу в случае, когда найденные собственные функции, являющиеся оптимальными в рассматриваемом классе при задвнных спектральных ограничениях,отзываются физически трудно реализуемыми. Найденные функции являютя оптимальными среди функций с введенными ограничениями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Предложена, теоретически и экспериментально обоснована двухкомпонентная имитационная модель квазиимпульсных помех, действующих в авиационных каналах связи , включающая логонормальную импульсную компоненту и гауссовскую фоновую. Разработанв процедура стохастического моделирования этих помех на ЭВМ с использованием известных распределений длительности выбросов помехи и интервалов между ними. Получены простые аппроксимации этих распределений.

2. Для предложенной модели помех получены выражения для потенциальной пропускной способности, энергетической и частотной эффективности непрерывного канала передачи данных. Рассчитаны и построены кривые предельной эффективности канала передачи данных с квазиимпульсными помехами в зависимости от степени импульсностя помех.

3. С использованием разработанной модели проведен сравнительный анализ помехоустойчивости, частотной и энергетической эффективности использования различных блочных и сверточных помехоустойчивых кодов в канале передачи данных с квазиимпульсными помехами при линейном (оптимальном для гауссовского пума) и нелинейном (квазиоптимальном для квазиимпульсных помех) приеме.

4. На основании имитационого моделирования оценена эффективность периодической и псевдослучайной процедур перемежения данных в цифровых системах передачи информации ,используиях помехоустойчивое кодирование при передаче данных по авиационным каналам связи с кэазкимпульсннми помехяки при линейном и нелинейном приеме.

-185. Исследовано влияние глубины перемещения данных на помехоустойчивость и эффективность цифровых систем передачи данных с поме-хоустотойчивым кодированием.

6. Для гауссовского канала передачи данных последовательностью импульсов с временным кодированием получена методика нахождения сигнала оптимальной формы я связанной с ним стробиругаей функции, при линейном приеме сигналов в условиях действия коррелированных помех и ограничениях нв энергию, длительность и спектр сигнала.

Результаты,полученные в работе позволяют сделвть следующие выводы:

1. Непреднамеренные помехи различной природы, имеющие место в авиационных цифровых каналах передачи данных, являются негаус^о-выми квазиимпульсными помехами до частоты 300 МГц. Выше этой частоты помехи можно считать гауссовскими. Квадратурные отсчеты могут быть сформированы в рамках предложеной имитационой модели, обеспечивающей хорошее совпадение с экспериментальными данными.

2. Присутствие индустриальных помех при линейном приеме цифровых сигналов в № диапазоне приводит к резкому снижению помехоустойчивости, а увеличение отношения сигнал/шум (ССШ) приводит к снижению энергетической эффективности р канала передачи данных, хотя потенциальная энергетическая эффективность Ри при этом увеличивается. Например, для случая параметра, характеризующего степень импульснссги помехи Уй «» 5 сШ и вероятности шибки на выходе демодулятора ^=2 10"* проигрыш в р составляет 17 сШ, в то время как 0и возрастает при этом на 3.9 с¡В.

3. Переход от линейной обработки сигналов в приемнике к нелинейной с ограничением смеси позволяет увеличить помехоустойчивость передачи данных, причем, наибольший эффект достигается для случая атмосферных помех,характерных для длинноволновой части ДКМВ диапазона. Например, для атмосферной помехи с Ус! * 5 4В выигрыш составляет 9.3 сШ при Л« 3 10"' и отношении полосы пропускания приемника к ширине спектра сигнала В/В- равном Как и при линейном приеме увеличение ОСШ в целях повышения помехоустойчивости оказывается неэффективным.

4. При нелинейном приеме сигналов в авиационных каналах связи с крезиимпульсными помехами наиболее опасной помехой является ил-

дустриальная, а при линейном - атмооферная.

5. Эффективным средством повышения помехоустойчивости цифровых систем передачи данных при линейном и нелинейном приеме сигналов в условиях действия квазиимпульсных помех является помехоустойчивое кодирование. Проигрыш в частотной эффективности 7 компенсируется выигрышем в р. Например, применение простейшего свепточного кода (7,5) при мягком решении в демодуляторе и использовании процедур перемежения позволяет получить при проигрыше в 7, равном 3 с1Э выигрыш в р: - для индустриальной радиопомехи ( Ус!» 5сШ, Р.» Ю"4, линейный прием) не менее 40 сСВ; для атмосферной помехи (Ус1» 50В, Р»= 10'", нелинейный прием) не менее 25 сШ.

6. Положительный эффект от кодирования достигается всегда.когда вероятность ошибки на выходе демодулятора Я» становится меньше некоторого порогового значения,зависящего от используемого кода I примерно равного 10"! При Р» выше порога идет процесс размножения ошибок, при Р» ниже порога помехоустойчивость быстро возрастает.

7. При линьйном приеме использование блочных кодов для исправления ошибок в цифровых системах передачи данных по авиационным Каналам связи с квазиимпульсными помехами нецелесообразно в силу низкой помехоустойчивости. Например, для индустриальной помехи с Уй= 5 вВ использование блочного кода (73,45,10), эффективного для гауссовых помех, и процедур перемежения обеспечивает вероятность ошибки Я. = 5 10" при ОСШ 15 ОВ. Использование сверточного кода (171,133), требуадего приблизительно тех-*« затрат при тех же условиях,обеспечивает Л « 1,6 10"*. При нелинейном приеме для исправления ошибок могут сыть использованы как сверточные, так и блочные коды, т.к. они легко обеспечивают требуемую вероятность оиибки

8. Эффективность процедур перемежения оказывается наибольшей при линойном приеме и коротких блочных кодах. Например, для короткого кода (23,12,7) (индустриальная помеха, Уа» ЬОВ, Р.» 3 10"! линойный прием) выигрыш составил 9,9 ¿¡В при глубине пореможения я» 20. При переходе от линейного приема к нелинейному , и от коротких кодов к длинным, эффективность перемежения снижается. Например, для длинного кода (73,45,10) (атмосферная помеха, ¥а • в ОВ,

10*", нелинеШшй прием) выигрыи составил 0,3 сШ 0ри т* 20 символов.

9. Вероятность ошибки на выходе линейного приемника с ¿летом я (символ глубины перемещения) уменьшается до тех. пор,пока длительность кода не станет соизмеримой" с величиной я. При псевдослучайном законе перемежения вероятность ошибки снижается более монотонно, чем при регулярном.

10. При передаче навигационных поправок по цифровым каналам МВ диапазона в силу невысокой импульсности помех для достижения вероятности ошибки в одном бите передаваемой информации 10'" может быть использован как линейный,так и нелинейный прием. При линейном пряеие заданная помехоустойчивость может быть достигнута лишь при сверточном кодировании и перемежекии данных (при ОСШ менее 15 сШ). При нелинейном приеме могут быть использоввны также и блочные коды.

11. При передаче навигационных поправок по цифровым каналам передачи данных ДКМВ диапазона вероятность ошибки 10"" может быть получена лишь при нелинейном: приеме с использованием помехоустойчивого кодирования и применением процедур перемежения данных (для коротких кодов).

12. Наибольшую величину отношения сигнал/шум на выходе линейного приемника в условиях коррелированных гауссовых помех обеспечивает процедура совместной оптимизации формы сигнала и стробирую-щей функции. Так, при экспоненциальной "огибающей" корреляционной функции помехи выигрыш в ОСШ составил: по сравнению со случаем физически нереализуемой прямоугольной огибающей сигнала величину 1...1.33 раза (при изменении нормированной постоянной времени "огибающей" цГ от 0.12 до 7.84); по сравнению с физически реализуемой огибающей типа "приподнятый косинус" - 1.07...4.25 раза (при изменении цГ от 0.128 до 8.3).

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. В.Д. Рубцов.О.В. Воскресенский. Анализ спектра фпзц АМ - «4 сигналов в фазовом демодуляторе с предельным ограничением смеси сигнала и помехи. Сборник научных трудов. "Алгоритмы помехоустойчивого приема радиотехнических сигнвлов".- М.:МИРЭА 1989 г.

2. Воскресенский О.В. Оптимизация нелинейной обработки сигня-

ла . в условиях действия негвуссовых помех //В ки. Статистическая радиотехника.Научно-методические материлн по докладам межотраслевой НТК." Применение методов оптимальной фильтрации в радиотехнических системах", под ред. В.А.Смирнова - м.: ВВИ им. проф. Жуковского 1989 г.

3. Воскресенский О.В. Анализ эффективности методов помехоустойчивого кодирования при передаче поправок для РСДН, работавших в дифференциальном режиме. Сборник научных трудов. "Проблемы технической эксплуатации и построения радиоэлектронных систем ГА".-М.: МИИГА - 1991г.

4. Воскресенский О.В. Анализ эффективности методов помехоустойчивого кодирования при передаче данных в условиях действия квазиимпульсных помех. Сборник научных трудов. "Методы представления и обработки информации в радиотехнических системах". - М.: МИРЭА-1993 г.

5. Рубцов В.Д..Воскресенский О.В. Оптимизация процедур фэрми-ровапия cirninju и его обработки при оценке фазы сигнала в условиях коррелированных помех. Сборник научных трудов. Вопроси повышения помехоустойчивости и эффективности радиотехнических систем. -М.: МИРЭА, 1991 г.

6. Рубцов В.Д., Зайцев А.Н., Воскресенский О.В. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования при передаче даннах по каналам с квазиимпульсными радиопомехами. Радиотехнические тетради, *5, 1993 г.

7. О.В. Воскресенский, "Повышение эффективности демодуляции и декодирования при приеме цифровых сигналов в условиях действия квазиимпульсных помех.// В кн. Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов: Тезисы докладов Всесоюзной научно - технической конференции. - Киев: КНИГА, 1989. - с.94.

в. О.В. Воскресенский, "Совместная передаче речи и данных в одной полосе частот при квадратурном резделении".// В кн. Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов: Тезисы докладов Всесоюзной научно - технической конференции. - Киев: КНИГА, 1999. - с.95.

9. Воскресенский О.В., Зайцев А.Н., Уваров B.C. "Повышение надежности навигационного обеспечения ВС пут*м комшюксировяния

средств связи и навигации. // В кн. Совершенствование радиоэлектронных систем ГА и процессов их технической эксплуатации. Межвузовский тематический сборник научных трудов. - М: МШГЛ. 1989, - с.37.

I<j. Воскресенский О.В., Зайцев А.Н. Анализ эффективности различных методов кодирования информации в канале передачи навигационных поправок в приемоиндикатор СРНС в условиях интенсивных атмосферных и индустриальных помех. // В кн. Наука и техника гражданской авиации на современном этапе: Тезисы докладов Международной нвучно •* технической конференции. - М.: МГТУТЛ, 1994 г.

11. A.C. I385318 (СССР) Устройство для формироиания частотно манилулированных сгналов с непрерывной фазой / Г.В. Куликов , A.A. Кошев, Q.B. Воскресенский. Опубл. в Б.И. - 1986. - * 42,

12. Воскресенский О.В. Рубцов В.Д. Исследование помехоустойчивости приема сигналов в ССС в условиях коррелированных помех. Отчет по IMP 13-86 (промежуточный). Исследование принципов построения спутниковой системы связи для обеспечения полетов ВС ГА на МВЛ и при ПА) IX. МИ ИГ А. Научный руководитель Рубцов В.Д., » г/р 01.86.0045946.- М.,1988. - с.

13. Воскресенский О.В. Методы передачи данных по авиационным каналам связи.// Отчет по ОКР. Шифр "Поправка". Создание комплекса измерения дифференциальных параметров радионавигационных систем. МКБ. "КОМПАС". Под ред. Зайцева А.Н. J» г/р У56-256 21.02.09.- М., 1989.- с. (ДСП)

Соискатель:

Воскресенский О.В.