автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Повышение скорости передачи цифровой информации в системах радиосвязи

• . ' •' - МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ ИМ. л.С.ПОПОВА

На правах рукописи

ПМС РЕН ГИР

УДК 621.396.43.037.372:621.391

ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТКМХ радиосвязи

05.12.02 - Системы и устройства передачи информации по каналам связи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стспен:: кандидата технических нзук

Одессл 10^2

Работа выполнена в Одесском электротехническом институт? связи им. Й..С.П0П03Л.

Научний руководитель - канд. техн. наук» доцент Одинцов Б.В.

Официальные опонсити: д.т.н., профессор Банкет В.Л.-Одесский электротехнический институт связи им.А. С.Полова;

к.т.н., доцент Тарасов И.И. - Одесский научно-исследовательский институт связи.

Бедуцее предприятие - Одесский научно-исследовательски:"! инсти тут связи.

Защита состоится _1992 г. на заседании региональ

кого Специализированного Совета К 113.05.01 в Одесском электротея нпческом институте связи им. Л.С.Попова.

.Адрес: 270021, г.Одесса, ул.' Челюскинцев, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. . Лсторе^-рат разослан _:_1992 г.

Учений секретарь

С л с-1; I: а л >: 2 » р V) в а и я о г о Совета

П.П.Боробиенк.о

: • "ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'Актуальность работы. В настоящее время развитие различных направлений деятельности' общества характеризуется возрастаюдкм значением отраслей науки и техники, связанный со сбором, хранением, передачей и обработкой информации по сетям связи.

Степень развития средств обмена информации - один из существенных показателей зрелости экономики государства. Увеличение объема и качества передачи,информации немыслимо без резкого повышения эффективности средств кодирования данных. "Продолжить развитие и повысить надежность работы ЕАСС на базе новейиих достижений науки и техники" невозможно без иирокого внедрения цифровых систем передачи информации.

Цифровая радиосвязь. является эффективным и перспективным техническим средством передачи сообщений. Создававшие в последние годы цифровые системы передачи соединяют в себе результаты достижений з области теории модуляции и кодирования с оригинальными инженерными разработками, основанными на новейшей элементной базе.

При передаче ■ цифровой информации возникает необходимость разрешения ряда ваз:;нх вопросов. ' Во-первых, необходимо резить задачи, связанные с увеличением удельной скорости передачи инфорка-. ции по стволам универсальных РРЛ. Во-вторых, ряд проблем связан,с необходимостью повышения достоверности.связи и прнмененем помехоустойчивого и-коррелятивного кодирования.

В настоящее время широко используются многопозицпонкне модуляции, такие как: ФМ, КАМ. Использование многоуровневых сигналов дает возможность получить удельную скорость болие, чем скорость Иайквиста, т. с- 2 бит/с на 1 Гц полосы. При использовании многопозиционной модуляции повышение помехоустойчивости являете:; ной задачей исследования.

В настоящей диссертационной работе псследог;<н:) некотог:;?

способы повышения эффективности передачи цифровой информации и влияние неидеальности характеристик тракта по основной к промежуточной частотах радиотракта на помехоустойчивость цифровой системы радиосвязи в целом.

Цель работа. Целью диссертационной работы является тео-

ретическая к практическая разработка, экспериментальное исследо-

■ч

ванне возможности повышения удельной скорости передачи цифровой информации.

Основные задачи работы заключаются в следующем:

- рассмотреть состояние вопроса исследования и разработки устройств сопряжения цифровой аппаратуры с аналоговыми РРСП; •

- провести классификацию и сформулировать критерии выбора структура ДСП;

- провести анализ влияния и выполнить оптимизацию характеристик фильтров основной полоси частот системы передачи по критерии каксикуыл раскрнва паз-диаграммы ч минимума, вероятности оаибки;

- провести анализ г-лияния-нелинейности £ЧК и АЧК радиотракта на качество передачи информации;

- провести-экспериментальные исследования па лабораторных »пкетах, с цель» подтверждения основных теоретических положений диссертации. ... •

Кетодн исследования. Рассматриваемые в работе задачи ре-с помоаыа истодов математического моделирования, элементов теория рпдоъ Оурье, анализа г л. о-дна грамма, статической радиотехники и моделирования тракта радиосвязи на ЭВМ.

.'¡аучнаа новизна работы заключается в следующем:

- исследовано сошестнос влияние всех основных параметров

аппаратура,' системы Фильтроз , неравномерности ГВЗ тракта на раскрыв •глаз-дпаградаш;

- предложен метод введения контролируемой межсимволъной интерференции на приемной стороне, возникающей при передаче ЦС по частотно-ограниченным каналам;

- исследовано влияние ГВЗ в основной полосе на качество передачи цифровых информация;

- разработано и исследовано влияние различных видов неравномерности ГВЗ в промежуточно?! тракте радиосистемы с КДК-16 на вероятность оиибок.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Оценка эффективности цифровых-систем радиосвязи.

2. Модель цифровых систем передачи радиосвязи.

3. Исследование влияния неидеальностн ФЧ.Х на качество передачи информации в основной полосе.

4. Оптимизация параметров канала цифровой систсны передачи с коррелятивным кодирование!).

5'. Исследование влияния" неравномерности ФЧХ в тракте ПЧ на помехоустойчивость системы с КАН-16.

Личный вклад автора в разработку.проблемы Основные научные.положения, теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.

Практическая ценность работы заключается в следующем: ■

- математическая модель оптимизационной задачи и г'етоды <»е репення могут быть успешно применены для задач дискретной оптимизации, возникающих в различных областях техники;

- полученные в результат? моделирования на ЭЗИ зазисикостч облегчают решение пнхгнериых задач выбора и построт;;::'! ЦС?*;

- методика расчета паранетров систем св^зи, учитывающих влияние группового времени задерг.ки (ГВЗ) в основной и промежуточной, полосе i.a качество передачи информации мож^т быть применена при проектировании ЦРРСП;

- методика расчета и анализа глаз-диаграммы на r-ыходе- радиотракта мо~ет бить обобщена для любой цифровой системы связи (например, волоконно-оптической).

Реализаций результатов работы. • Приведенные в диссертационной работе исследования являются частью научно-исследовательской работы.проводимой на кафедре Систем радиосвязи ОЭНС им.Л,С.Попова.

Апробация работы. ' Основные результаты диссертационной раеотк рассмотрены и обсуздены на научных конференциях ОЗИС им. Л.С.Попова н семинарах кафедры СРС ОЭИС им. А.С.Попова.

Публикации. Основные положения диссертационной работа опубликованы в четырех печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения. Работа соде:ш:т страниц, в том числе страйиц текста, страниц рисунков, страниц приложения, страниц • литературысключаю-г'.зго наименований.

С0ДЕРЕЙ1ШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и зада- диссертации и изгоксны основные положения, выносимте автором на защиту.

Р. первой главе сделана .постановка задачи и на основе про-пхчч^д^кього an яд и sa суц-гству»дих систем и методов построения ЦСП,

• сфог'уулнрбганы основные направления дальнейших исследований.

- В обцед случае, сигнал на вмходе цифрового радиотракта определяется следующим образом:

В точке А —0 зыходной сигнал

гуд

к/о

В выражении (2) второй член определяет мегсиквольное искажение (НСН). НСИ возникает обычно из-за неравномерности АЧК и ФЧ.Ч тракта при условии правильной фильтрации.

В общем случае тракт передачи ЦС аналоговой РРСП можно представить в виде полосового Фильтра, с соответствующими данному каналу амплитудно- и Фазогчастотной характеристиками.

Предположим,, что канал имеет характеристику идеального Фильтра нижних частот с передаточной Функцией:'

кш

V.

1. . ..

' • '(3)

о./ №>Ц .

На оход канала подается бесконечно узкий прямоугольный ил-пульс (¿""^-функция). Как известно, его спектр определяется следующим образом:

Т Т --(И-

— р» —с*

т. е. его спектр постоянен по всей оси от - Оо оо ', с о вг

7 ,

ценной области сигнал на выходе какала определяется следующим образом :

~ ■ 2Ti

"т* т

W £ =

Если тракт икеет непдеальную характеристику, т. е. имеется неравномерность ЛЧК, то его передаточную функцию можно выразить схедуздлм образом:

С/ tnsin tkb>) , /WI4

KCj'tJ]" I Т <s)

где M<1.

При зтон сигнал на выходе тракта определяется следующим:

U '

, 7 t 2Д ,

ci+^'^-y-wje ■■

. T '

/,- t ¿in T , .

£ ~ Cos ~~ • —^

Ц/л. Ur. 7-

Выражениг (7) показывает, что, если канад имеет реальную ха-IvtKvepnciMsy, ызходноГ; сигнал выражается суммой отклика идеального 5:а»ала г. влияния неравномерности АЧЙ реального тракта.

Сравнивая выражения (2) и (7), второй член выражения (2;

з

определяющий МСН, Соответствует влиянию неравномерности ЛЧХ реального' тракта выражения (7).

Можно оценивать качество передачи информации с помощью анализа глаз-диаграммы:

2а = о = Г с-ь.-лт^ 0= , (8)

где рм - максимальное значение глаз-дна граммы,-

0 -изменение раскрива глаз-диаграммы.

В соответствии с обцепрннятк» критерием оценки отклика канала, когда сцеживается величина суммы всех значений импульсов в точках отсчета ± Й.Т , сделан вывод о возможности увеличения скорости передачи информации по аналоговой РРСП (по сравнении с су-чествук'дими системами на 8,443 Кбит/с).

Во второй главе исследоганы метод погашении эффективности передачи цифровой информации, гилоллен анализ поверхности отклика фильтрации для тракта с коррелятивным кодированием и оценено влияние характеристик реального канала связи по основной полосе качество передачи информации.

• Гс-иепа задача выбора оптимальных параметров тракта для передачи цифровой информации, с минимумом ме.хсиивольных искажении при заданной полосе частоты. На приемной стороне исследуемый участок тракта содержит два Фильтра: фильтр . Пайквиста и конверсионный фильтр. 05цая передаточная функция тракта равна:

г 1, и<МсС1~Ю

5(^0)=I |ч'- АС7,ЛС/-=д<у аыи-со

1 , ' (¡3! и О, 10 > МсШ-а.) .

где Ы - коэффициент сглаживания, - .

где /5 - коэффициент, определяющий величину задержки фильтра.

Построена поверхность отклика О/Ом — И Я З.Было исследовано выражение (9) и (10) при значениях в пределах от 0 до 1 с щагом 0,2 и значениях ^ , изменяемых от 0,4 до 1,1

С ЕЛГОМ (?,1.

Результат показал, что ¡) / Он (отношение величины раскрыва глаз-диаграммы к какешдльному раскрипу) принимает максимальные зигления при с< = <3; /? = 0.5 или при ОС = 0,4; 0,6; 0,8; 1, Р 1.

Поверхность отклика имеет неунимодальный характер, что позволяет говорить о возможности БЫбора оптимальных характеритик тракта ь двух, существенно разных, областях. Перьый экстремум возможен при малых значениям с4 = 0, ¿3 - С,5 (узкополосяый тракт передачи), второй - при относительно болыаих значениях = ^¿5; 0,6; 0,3; 1, Д? = 1 (широкополосный тракт).

Очевидно, что окончательное решение долхно быть принято с у: о гон характера вумов в канале связи и применяемого класса кер-рйЛЯ15!БНОГО кодирования. .

Ксс;;едог.анЬ влияние неравномерности ФЧЯ в основной полосе на качество передачи информации.- Часто используется характеристика ГБЗ вместо {>ЧХ:

ХШ) = - с1(рСЮ)/с1ь).

Как известно, АЧК капала мохет быть определена • слсдуюци*

образом:

каш) = к-е _ сш

10

Общая передаточная Функция равна:

где Г~(]Ы) - влияние ГВЗ.

Предположим, что ГВЗ изменяется по следующему закону:

ГзтсШ'гд^ (13,

где - изменение амплитуду ГВЗ;

(¿И - период колебания ГВЗ,

т. е.

0 67

I С ¿»(¿(.¿Л'

о

=~Jcx з-fsj du).

Проведенные исследования показали, что при отсутствии !•!:•-;'--хэний ЧЧХ формирующего передающего'Фильтра, т. е. ГВЗ посгоятт-.-число, в отисзенмн изменения раскрнва гдаэ-дпиФ&мя* к гак«»-* г.-нсиу pacKpiisy' равно 1. Когда Т( /]* = 16% (отнесение изменения к тактовому интервалу), при (л)Л - 4,5 КГц, X*./Т - п:'п

£¿4 =3,5 МГц и "Cs/T = 40%, при f,Jn= 2,5 «Гц Хц. /1 - C0Z при Ufu = 1,5 1Хц, получаемся одинаковое отношение D/ Dh =

В третьей главе исследовано влияние «^равномерное-.-:: УГ.'.

тракта ПЧ на п си е х оу ст окч и в о ст ь системы передачи миформ.шн-.! с КЯК-16, Керавнсмеряость № в УПЧ является вяяноЯ причиной возникновения оаибок на гняоде канала и падения поме-оу стоят,'-; системы в целом. '

Известно, что сигнал КАМ-16 нохет- быть-- получен сложением квадратурного и синфазного четырехуровневых сигналов. На выходе модулятора сигнал определяется следующим выражением:

Г CtiSinUit T-'biCostibt 0£-t< т Set) *<

[ о/ i£{o,T3 (1Б)

где L ~ I,/П > Ci > ЬI - вещественные коэффициенты;

U?c - частота несущей; Т ~ тактовый интервал.

зли«™, что a^sinwti+btcosUif= Ci.smcwct+01),

где Ci —\JoHlttfl" расстояние от начала координаты

до сигнальные точек, (ltd® С bi / O-i. ). Таким образом, единичные элементы сигнала являются отрезками синусоид длительности , отличающимися амплитудами и фазами. Г. демодуляторе входной сигнал восстанавливается с поноцъи умножения принимаемого сигнала на SIП (дЛ'Ь и С OS LtJii.

Математическая модель демодуляции может быть определена сле-дуюдим выражением, учитывая искажения ФЧК в тракте ПЧ:

Sa?/i C-t) =■£" aLs'incukt <pcbj t

+ biC03 Cuvfc+^tpct))] •S.-SJliUct = '

/

r Q.iC0SC&pC-b))-CLLC0$(4pC-T))>CQSZUJctt

+ Oi S'lnzud -jlnCApci:)) ~bi$jn(£>tp(.t)) "r

+ bi :Jn(A(pC±))-С OS2 Uct + (16)

■Y biSlnZUtt-COSCAyct)) .

<5114 пропустит только низкочастотную составляющую (3¡(05(&!PLL ¡П^Ы/й}], а остальные являются высокочастотными и будут

¿ч ¡у., л ром -:н ачк- -

бдем (Ъ-й1С0$(ь<рШ) - ЬсЛПСьрсЬ)), а?)

где л У>Ш - нскаг.ен>*е Фазы.

Если в тракте отсутствуют фг..зовиэ искажения, т. е.Л10(-¡7)- 0, то (¿3 - противном случае возникают искажения, прояв-

ляющиеся в виде МСЙ.

В работе проведен подробный анализ системы с КАН-15. Допустим, что на вход модулятора поступает двоичная последовательность третьего уровня иерархии 34,360 ¡.'бит/с. Для передачи этого сигнала требуемая полоса частот - 8,592 КГц. Тактовий интервал X = 116,367 не. Частота иесуцей "|"с = 70 КГц.

Предположи:-., что в тракте ¡14 существуют различные виды пс:са-хеьпя ФЧХ. На практике часто используется характеристика 133. Известно, что:

ТШ)~ ■ Ф1Ы) г Гг (и»с1 и). 1Е)

. с( ю \ .

Оцепим падение помехоустойчивости за счет появления КОИ гг :

различных типах ГВЗ, характерных для' рад'лор«.т«йкн:с. систем П'.-Г'гд ■

г 1

•1. ГЗЗ изменяется по линейному закону в интервале Д"Г :

где - изменение ГВЗ в полосе , не;

- коэффициент, зависаний от частоты г;-?стлд-" и ширины полоса;

- пирина полосы ПЧ.

2. ГВЗ 'изменяется по параболическому закону:

3. ГВЗ изменяется по синусоидальному закону:

2Ъ-СО$(8К'Ц$г~) ;......

, Оччсидно, что в общем случае сигнал на входе демодулп

тора определяется следующие образом, при изменении ГВЗ:

• »

* I ■ .

ГД° ^ С^ Ю) - отклик входного сигнала;

Г'(JU2)~ слияние ГВЗ в полосе ПЧ; ' р, {Т"*' - прямое и Обратное преобразование Фурье. Этот искаженный сигнал £ демодулкруется и фильтрует

ся с ФНЧ.

Используя метод анализа глаз-диаграмм, можно оценивать па дение помехоустойчиьости.системы передачи информации из-за влия ия я JiC.il.

Исследована зависимость вероятности оиибок от изнеиения раз .-.кчиых нидов ГВЗ. Вероятность ошибки системы с КАМ определяете

14

следующим выражением:

Р- 'То^' ^ТГ" еИЧ СУ/а-о ■ ш з Г'

^ О

- ч/с I,-1) ■ г

Ц - количество уровней в одном из квадратурных клтлоз; V - максимальная амплитуда сигнала. Используя раскрыв глаз-диаграмм, вероятность оаибок можно заменить на следующее:

где £>м - максимальное значение раскрива глаз-диагрг.нки;

О -изменение раскрива глаз-диаграмми из-за

неидеальности ГВЗ,

Сравнивая полученные результаты можно сделать внзод, что -5

получения вероятности 10 (Рекомендации КККТТ) неразномормость ГВЗ не должил пресниать 1 не в случаях 'Сх^^ ■> "С^С-т); н 3,4 но :■ случае' 7Г| С"0. Для максимальной вероятности 10 - 1,8 не п случае Г>(£) ; 2,6 не в случае ~ГхС{1 ; 3,7 не я случае "¡Г,- ( ■{) . Когда си стека передачи информации пиеет характеристику ГВЗ зкы СО падение помехоустойчивости бодьке, чем в других случал;: прч заданной неравномерности характеристики ГВЗ.

3 четвертой главе приведена результата эг.сп-гэдп'сн'салыш.« -.«следований, подзерхдавдие елводы теоретических иссдсдссакий.

Для проведения экспвривнтальныя исследований была •

15 •

ни структурная к принципиальная схем кодека коррелятивного кодирования. Исследования проводились на цифрово потоке со скоростью 17 Шит/с.

Был разработан и исследован кодек коррелятивного кодирования 2

с полиномом 1 - 0 . Б качестве передающего и приемного Фильтров использовались ЬС фильтры с соответствующими характеристиками, аналогичным:.) заложенным в модель ЦРРСП при теоретических исследования;; .

В работе приведены осциллограммы глаз-днаграмм, лодтверждаго-цие возможность передачи цифровой информации с ловыаенной скоростью в заданной полосе частот методом коррелятивного кодирования.

В ходе исследований кодека была снята кривая помехоустойчивости регенератора и декодера, для двух различных методов декодирования: с учетом предыстории цифрового сигнала я без, но с применением относительного кодера на, передающем конце.

Проведенные экспериментальные исследования полностью под*

твердили пхлавильцость теоретических выводов о возкогкости увеличения скорости передачи в цифровых радиорелейных системах передачи. :

Б заключении сформированы основные научные и практические результаты диссертационной работы:

1; Рассмотрена зффективность'системы цифровой информации с »шогопозиционной модуляцией. Особое внимание уделяется Фазовой модуляции и квадратурно амплитудной модуляции.

2. Предложен метод моделирования цифровой системы передачи информации.

3. Предложен метод повышения удельной скорости передачи цифр ."-;ой информации. Показано, что при использовании коррелятисног< и имонозицнонного кодирования иоп;ет быть получена скорость моду-

16