автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмафункционирования системы передачи дискретной информации по загруженным каналам связи

Ижевский государственный технический уни^^^ет £) Д

^ * ? п.]

На правах рукописи

Чувашов Анатолий Михайлович

УДК 621.396

Разработка и исследование алгоритма функционирования системы передачи дискретной информации по загруженным каналам связи.

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов б научных исследованиях.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ижевск 2000

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

И.З. Климов

Официальные оппоненты :

- Академик АН Республики Татарстан, заслуженный деятель науки и техники республики Татарстан, доктор технических наук, профессор Ш.М. Чабдаров, г. Казань,

- кандидат технических наук, доцент А.И. Мурынов, г. Ижевск.

Ведущая организация: Научно - исследовательский и испытательный технический центр Федеральной пограничной службы (НШГЩ ФПС).

Защита диссертации состоится " / " иИ7/!^} 2000 г. в {Ц часов на заседании специализированного Совета Д064.035.01 в Ижевском государственном техническом университете.

(426029, г. Ижевск, ул. Студенческая - 7).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_"_2000 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

д.т.н., проф. .. В.и. Гольдфарб

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Широко распространенные способы передачи дискретной информации с использованием простых сигналов в значительной мере нечерпали ресурс многих практически важных диапазонов частот. Рост числа систем передачи информации с простыми сигналами в этих диапазонах сопровождается увеличением уровня взаимных помех н общим снижением качества приема информации. Для повышения загрузки этих диапазонов без снижения качества функционирующих систем передачи информации, целесообразно использовать сигналы с низким уровнем спектральной плотности. Такие сигналы оказывают слабое влияние на величину отношения сигнал / помеха простых сиг налов и, следовательно, на качество их приема. Низким уровнем спектратьной плотности обладают так называемые широкополосные сигналы (ШПС), что позволяет применять их для передачи дополнительной дискретной информации но канатам, загруженным передачей других сообщений.

Кроме того, такой дополнительный канал характеризуется более высокой степенью защиты от несанкционированного доступа, чем каналы, использующие простые сигналы. Это обуславливает перспективность его использования дня передачи информации, несанкционированный доступ к которой должен быть максимально ограничен.

Однако в настоящее время, реализация дополнительного канала затруднена по следующим причинам:

1. Существующие алгоритмы приема ШПС разработаны для флюктуацнон-ных помех и не соответствуют условиям работы в дополнительном канале в частотных диапазонах, перспективных для передачи дискретных сигналов по загруженным канатам.

2. Высокий уровень потерь па обработку ШПС с большими базами, обусловленный неидеальностью функциональных элементов приемных устройств.

Совместное влияние указанных факторов явилось причиной того, что известная система "Rake" не обеспечила проектных эксплуатационных характеристик. Общий уровень потерь в данной системе передачи дискретной информации оказался соностави.м с потенциатьной эффективностью применяемых ШПС.

При использовании дискретного какала для передачи информации, несанкционированный доступ к которой должен быть максимально ограничен, проблема высокой сложности приемных устройств ШПС с большими базами может быть решена за счет применения компьютерной обработки. Поскольку обмен информацией, требующей максимальной защиты, имеет, как правило, эпизодический характер, то прием информации может быть реализован в режиме обработки записей отсчетов сигналов. Такой режим обработки снимает ограничения на быстродействие вычислительного устройства, и позволяет использовать сложные атгоритмы, обеспечивающие адаптацию к условиям работы в реальных канатах связи.

В силу синхронного характера работы дискретных систем связи, реализация дополнительно канала связи с ШГ1С, на основе использования режима обработки записей отсчетов сигналов, требует решения задачи обеспечения временной избирательности решений. Синхронизация решений в процессе обработки записей отсчетов минимального объема существенно отличается от синхронизации при обработке в реальном времени.

Таким образом, •задача разработки алгоритмов функционирования дополнительных каналов, обеспечивающих максимальное использование потенциальных возможностей ШПС в режиме обработки записей отсчетов сигналов, является актуальной при решении задачи повышения загрузки существующих каналов связи, без ухудшения качества их работы, особенно в случаях, когда возникает потребность в максимальной защите передаваемой информации от несанкционированного доступа.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка математических ¡моделей дополнительных каналов передачи дискретной информации но загруженным каналам связи, синтез, исследование и имитационное моделирование адаптивных цифровых алгоритмов приема сигналов в таких каналах.

Практическая реализация дополнительного канала связи с ШПС предполагает решение следующих задач:

1. Построение математической модели дополнительного канала, учитывающей основные существенные факторы, влияющие на прием ШПС в реальных каналах связи.

2. Разработка эффективных алгоритмов адаптации к характеристикам реальных каналов связи в процессе реализации цифровых методов приема, позволяющих в максимальной степени использовать потенциальные возможности ШПС.

3. Анализ показателей качества синтезированных алгоритмов.

4. Анализ влияния погрешностей перехода от аналоговых сигналов к их цифровому представлению на качество приёма ШПС, для синтезированных алгоритмов.

5. Разработка и исследование алгоритма функционирования дискретной системы синхронизации с относительно большим шагом регулирования, обеспечивающей получение необходимого качества синхронизации по задержке в процессе цифровой обработки записей отсчетов минимального объема.

6. Моделирование дополнительного канала связи с ШПС для проверки полученных в процессе теоретического исследования результатов.

Методика исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей и математической статистики, теории принятия решений, теории систем сигналов, теории марковских процессов, теории матриц, теории распространения волн в среде со случайными неоднород-ностями показателя преломления.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

ч

♦ Разработана математическая модель дополнительного каната связи с IIIПС, учитывающая весь комплекс существенных факторов воздействия канала на приём ШПС.

♦ Разработана математическая модель нелинейных фазовых искажений (НФИ) спектра 1ДПС в ионосферном канале связи декаметрового диапазона, позволяющая численными методами определить уровни составляющих НФИ в зависимости от состояния ионосферы, которая так же может иметь самостоятельные значения в плане применения при исследованиях ионосферы.

♦ Синтезированы оптимальные алгоритмы приёма ШПС в дополнительном канале, ориентированные на применение цифровых методов обработки, включающие оптимальные правила оценивания основных характеристик канала, которые могут быть использованы при решении соответствующих измерительных задач.

♦ Для синтезированных алгоритмов приёма получены численные значения показателей качества обработки сигналов в дополнительном канале связи.

Исследовано влияние погрешностей цифрового представления сигналов на входе синтезированного приёмника 1Ш1С в дополнительном канале на качество приёма и решена задача оптимизации процесса цифрового представления отсчётов.

♦ Разработана методика анализа влияния неггдеальноспг корреляционных функций ШПС на качество оценки НФИ при многомодовом характере распространения сигналов в дополнительном канале и получены условия разделения мод.

♦ Исследована система синхронизации решений в режиме обработки записей отсчетов минимального объема.

♦ Проведена проверка полученных результатов путём модельного эксперимента на ПЭВМ, показавшего высокую эффективность разработанных алгоритмов приёма ШПС н точность анатитических соотношений, описывающих зависимость характеристик качества приёма от характеристик канала связи.

Практическая ценность. Практическая ценность реферируемой работы

состоит в том, что полученные результаты позволяют:

♦ Проектировать эффективные СПДИ в дополнительном канале с ШПС с максимальным использованием потенцнальных возможностей данного класса сигналов.

♦ Организовать передачу конфиденциальной информации по «загруженным» каналам связи, обеспечивая повышенный уровень защиты от несанкционированного доступа.

♦ Использовать при реализации приёма ШПС цифровые средства обработки сигналов с относительно небольшой разрядностью цифрового представления отсчётов сигналов.

♦ Осуществлять приём ГИПС в режиме обработки записей отсчётов сигналов.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

1. Математическая модель дополнительного канала связи с ШПС, отражающая основной комплекс факторов, оказывающих существенное воздействие на прием в данном канале связи.

2. Методика и результаты анализа влияния канала декаметрового диапазона на фазовую структуру ÍUTÍC.

?. Оптимальные, цифровые алгоритмы приема ШПС в каналах, с фазовыми искажениями сигнала и аддитивной помехой с неравномерным энергетическим спектром.

4. Впервые полученный и исследованный оптимальный цифровой алгоритм оценивания нелинейных фазовых искажений ШПС на фоне аддитивной помехи с неравномерным энергетическим спектром.

5. Методика исследования взаимного влияния мод ШПС на процедуру оценивания нелинейных фазовых искажений и рекомендации по обеспечению условий разделения мод.

6. Методика исследования влияния характеристик АЦП на показатели качества цифровых алгоритмов обработки ШПС в дополнительном канале.

7. Рекомендации для разработки системы синхронизации при приеме ШПС в режиме обработки записей отсчетов сигналов.

8. Компьютерная модель СПДИ по загруженным каналам связи и результаты моделирования цифрового алгоритма при отношениях сигнал / помеха -26,3 дб + -32 дб.

Реализация результатов. Результаты исследования использованы в НИОКР Сарапульским радиозаводом, НИИТЦ Федеральной Пограничной Службы и в учебном процессе ИжГТУ в курсе «Основы теории радиотехнических систем».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

♦ VII Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации (Вильнюс, 1978г.).

♦ L11 Научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 1997г.).

♦ XXXI научно-технической конференции (Ижевск, 1998г.).

4 Разработанные с участием автора устройства отмечались дипломами победителей Республиканского конкурса на звание «Лауреат премии НТО Удмуртии» (1980г., 1982г., 1983г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 13 авторских свидетельств.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав и заключения; изложена на 122 стр. печатного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 26 стр., список литературы из 120 наименований и приложения на 6 стр.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, дана сжатая характеристика работы.

Б первой главе рассмотрены вопросы, связанные с построением математической модели дополнительного канала связи с использованием ШПС. Задача построения математической модели дополнительного канала решалась на основе выделения го комплекса факторов, действующих в реальных каналах связи, перспективных для организации дополнительного канала, совокупности факторов, оказывающих существенное воздействие на прием ШПС. Выявлены 3 группы существенных факторов:

1) аддитивные помехи,

2) искажения широкополосного сигнала,

3) многомодовый характер распространения.

Доминирующей аддитивной помехой в дополнительном канале является основной сигнат догружаемого канала, на качество приёма которого ШПС не должен оказывать заметного влияния, вследствие чего отношение ШПС/помеха в дополнительном канале лимитируется сверху на очень низком уровне (существенно меньше -20дБ).

Установлено, что амплитудные искажения оказывают слабое воздействие на АКФ ШПС, так как его информационное содержание в основном определяется фазовой структурой. Для учета влияния фазовых искажений на прием ШПС получена формула для вычисления коэффициента использования энергии сигнала через параметры фазовых искажений, учитывающая случайный характер искажений.

_ ХБ М Щаь) Г е ^ • 005(6, -Оь)

„г _ ______

Че - м '

где ЬУ/со,)- дискретный спектр ШПС, М- число линий в спектре, <? - среднее значение фазовых искажений, а,-2- дисперсия флуктуирующей составляющей фазовых искажений, р^- коэффициент корреляции флуктуации спектральных составляющих.

Для ионосферного качала декаметрового диапазона разработана математическая модель влияния канала на фазовую структуру сигнала. Физическая 2-х масштабная структура ионосферы описана моделью, определяемой как локально однородное случайное поле коэффициента преломления с плавно меняющимися средними характеристиками. Задача определения фазовых искажений ШПС решалась методами геометрической оптики на основе сочетания аналитических методов с методами моделирования (аналитического решения задача не имеет). Моделировалось движение точки фазового фронта

спектральной составляющей, в пределах ионосферного слоя, па основе рекуррентного соотношения, отражающего процесс преломления монохроматической волны ионосферой:

- I n

V. К-о

sin2 V0(co)

где г., - ¡-ая итерация высоты от нижней границы ионосферы; Лг - шаг дискретизации датьности скачка; 7Л) - высота нижней границы ионосферы; Ко -радиус Земли; 1|/о(е>) - начальный угол; п(г») - коэффициент преломления, определяемый в рамках квадратичной аппроксимации изменения электронной концентрации по высоте выражением

'( V Г^г г11

Здесь: ^ - частота к-ой спектральной составляющей; ^=8,08-1О7-Ыт - критическая частота; Н„ - максимум электронной концентрации; г,,, - лолутол-щина слоя ионосферы.

Совмещение результатов моделирования с расчетными данными по вне-ионосферной части траектории спектральной составляющей в рамках уравнения соответствия дальности скачка заданному, решаемого приближенными методами, использовалось для вычисления среднего оптического пути спектральной составляющей, ионосферная компонента которого определена в виде определенного интеграла

f...........dr>

¿ sin 4'0(ffl)

где ri - составляющая дальности скачка, определяемая ионосферным участком траектории,

г2 - составляющая дальности скачка, определяемая внеионосферным участком траектории, который не выражается в элементарных функциях и не вычисляется прямым численным интегрированием. Параллельно вычислялся определенный интеграл от квадрата электронной концентрации вдоль траектории, входящий в выражение для дисперсии флюктуации фазы:

I Cft ) *ч smvj;u(co)

здесь Ло - характерный масштаб неоднородностей; р - коэффициент, описы-

вающий флюктуации электронной плотности, С - скорость света; Ne(z.) -

электронная концентрация в точке z».

Анализ расчетных зависимостей, полученных на основе моделирования,

позволяет сделать следующие выводы:

ч

1. Для декамстрового канала характерен существенный уровень фазовых искажений спектра ШПС, определяющих значительные энергетические потери при приеме И1ПС.

2. Фазовые искажения возрастают с уменьшением скачка.

3. Для многоекачковых трасс происходит накопление фазовых искажений.

4. Моды сигнала имеют различные уровни фазовых искажений.

5. Зависимость среднего значения фазовых искажений от частоты по спектру хорошо аппроксимируется квадратичной функцией.

6. Средняя составляющая фазовых искажений имеет суточный ход изменения, определяемый глобальной перестройкой ионосферы, и изменяется относительно медленно.

7. При невозмущенной ионосфере потери энергии в основном определяются средней составляющей фазовых искажений, а флюктуации фаз спектральных составляющих сильно коррелированны и проявляются как флюктуации времени задержки сигнала.

Чувствительность ШПС к частотным сдвигам характеризуется коэффициентом использования энергии сигнала:

. , л-Af sin--

г __V,

Лг~ ,2F„3 . 2 л-Af '

(—'-)■- sin -

V 2FS

здесь Af- сдвиг частоты, Vs- скорость передачи (Бод), Fs- односторонняя ширина спектра ШПС (Гц).

В результате анализа факторов, воздействующих на приём ШПС в дополнительном канале связи, сигнал на входе приёмного устройства канала, определён, как аддитивная смесь мод |ix -S¡(t +■ исходного S¡(t) ШПС и аддитивной нормальной помехи y(t), имеющей, в общем случае, неравномерный энергетический спектр.

x(t) = 2Xs¡(t + **A) + y(t),

здесь ¡л,,, Г;, и 0, - соответственно коэффициенты передачи, временная задержка и НФИ, характеризующие моды сигнала.

Реализация приёма без учёта искажений мод сопровождается высоким уровнем энергетических потерь, что при наличии существующего ограничения на величину отношения ШПС/помеха в дополнительном канале, делает невозможной организацию данного типа канала на основе использования существующих методов приёма ШПС.

Во второй главе выполнен синтез и анализ оптимальных алгоритмов принятия решений о преданном ШПС, основанный на принятой модели дополнительного канала.

Значительная априорная неопределенность, исключающая полное статистическое описание реализаций аддитивной смеси на выходе дополнительного канала, преодолевалась на основе адаптивного байесона подхода, при котором используется готовое решение байесовой задачи с заменой неизвест-

К)

ных параметров их оценками (при возможности получения независимых оценок неизвестных параметров адаптивное байесово правило является равномерно наилучшим приближением к абсолютно оптимальному байесову правилу). Исходя из наличия частотной зависимости искажений и ориентации на использование цифровых методов обработки, задача синтеза оптимальных правил распознавания ШПС решалась в базисе ДПФ. Результатом статистического синтеза было получение двух правил приёма ШПС:

-при известной начальной фазе ШПС <р, оптимальное решение должно приниматься по правилу:

Reg W^iA) е.Д >Ч Rcf|;£ÄW(

-е

(й б (к) ] [й О(к)

- при неизвестной начальной фазе ШПС оптимальным является правило: ¡СДкУС^Д) : с(к)

^c,(k)-c,v(k,9t) е

Ü G(k)

здесь Сх(к)- коэффициенты ДПФ аддитивной смеси Си(к,ек)- коэффициенты комплексно-сопряженные с коэффициентами ДПФ 1-го ШПС, откорректированного с учётом НФИ §к, О(к)- дискретный энергетический спектр аддитивной помехи, Ех (...) - действительная часть комплексной величины {...}, N - количество коэффициентов ДПФ.

Учёт оценок НФИ задается соотношением С„(кД) = С5(к) е~Л, где ¿^(1)- коэффициенты комплексно-сопряжённые с коэффициентами ДПФ 1-го образца ШПС, ок - оценка НФИ к-ой составляющей.

Анализ полученных правил показал, что при известной фазе ШПС решающая статистика распределена по нормальному закону с математическим

ожиданием: и5 = ц->/ ; и диеперсиеи а, а при неизвестной

к^о <3(к) 2

фазе ШПС решающая статистика распределена по обобщённому релеевскому закону с теми же параметрами.

Для вероятности ошибочного решения получены выражения: при извест-

1

ной фазе Рот=1-Р(11у), при неизвестной фазе Рош = -с где

i|Cs(k)f

N I

Ь2В = = Хчл 5 % - распределение отношения ШПС/помеха по

¡.-о С(к) к=()

дискретному спектру.

Эффективность адаптации приёма к неравномерности спектра помехи вы-

N I I

ражается величиной энергетического выигрыша: л'! = 1\гУ-, где

Г^Е(к)

„ ч 00")

а(к) = —. и определяется степенью неравномерности распределения ад-¿О(к)

Ii

дитя в но й помехи по сне пру IUI 1С. Численный анализ показал, что выигрыш от учёта неравномерности энергетического спектра помехи может быть особенно велик в случаях поражения спектра 1ППС мощными узконолосными помехами, когда суммарная мощность узкополосных помех на порядки превышает суммарную мощность флуктуационных помех. Величина V'«2 является объективным критерием целесообразности процедуры учёта неравномерности энергетического спектра помехи. Численный анализ так же показал, что при уровнях отношений ШПС/помеха qs2, характерных для дополнительного каната, при использовании синтезированных правил решений вместо дискретного энергетического спектра аддитивной помехи G(k) можно без существенных потерь использовать дискретный энергетический спектр аддитивной смеси x(t).

Для квадратичной аппроксимации НФИ методом статистического синтеза получена оценка максимального правдоподобия параметра НФИ в виде правил:

- при известной начальной фазе ШПС

d fecx(k)-C,(k,a*)

<х=а , при max Reo ———i-.«

G(k)

G(k)*0,

- при неизвестной начальной фазе

а = а , при max Н^——^—-е | к—о G(k)

G(k)*0.

Между коэффициентами <i и а", являющимися масштабным множителем квадратичной зависимости и уровнем et имеет место соотношение 8t =d Zt, где Ъ\- дискретная функция, определяемая частотным преобразованием спектра ШПС.

Полученные правила приводят к уравнениям, не имеющим решения в явном виде. Однако, проведённые исследования показывают, что решение может быть найдено с достаточной степенью точности на основе применения приближённых методов.

Выполненный анализ ошибок оценивания показал, что в области значений точности, обеспечивающих адаптацию к НФИ, ошибки распределены нормально с нулевым средним и дисперсией:

_^_

где Az- коэффициент, зависящий от типа правила и вида дискретной функции 7,у, Bs- база ШПС, qs" - отношение сигнал / помеха, Fs - односторонняя ширина полосы частот 1ППС, vi - энергетический выигрыш адаптации к неравномерности спектра помехи.

Усреднение энергетических потерь, обусловленных ошибками оценивания параметра а по распределению ошибок приводит к зависимости этих по-

терь от параметра 0* = а11(2лР;)2 в виде суммы членов бесконечно убывающего ряда. Графически представление этой зависимости позволяет обеспечить качество оценивания, соответствующим выбором варьируемых параметров.

Для ситуаций с неаппроксимирусмым характером НФИ разработан и проанализирован вариант с тестированием канала связи.

Анализ воздействия неидеатьносги АКФ реальных ШПС на качество оценки НФИ при многомодовом сигнале, выполненный на основе линеаризации уравнений оценивания в области малых ошибок, показал, что взаимное влияние мод имеет сложный характер зависимости от амплитуд, уровней НФИ и фаз мод ШПС. Выбором базы ШПС величину этой ошибки можно ограничить уровнем наихудшего сочетания определяющих параметров, когда воздействия можно считать аддитивными.

Для исследования воздействия погрешностей цифрового представления отсчётов аддитивной смеси на качество приёма ШПС был выполнен анализ результирующего действия на отношение ШПС/помеха и степень неравномерности спектра аддитивных помех двух видов ошибок: ошибок квантования и ошибок ограничения сигналов. Результатом анализа явилась зависимость потерь по этим параметрам от функции 1(р,т), определяемой, как:

24Ф;(г) ф;<2)

здесь

<р(г) = Ф0(г) + гг[0,5 - Ф„(г)] - — ■• е"2 , г=Р(2т-1/2), 3 = —, ф^-^ехр^)*,

оЕ Л/271 ^ 2

где т- число значащих разрядов цифрового представления, А- шаг квантования, оу2- дисперсия квантуемого процесса.

Минимизация потерь обеих видов сводится к минимизации функции т). Полученные графики зависимостей га) показали наличие для каждого значения параметра (3, соответствующего явно выраженному минимуму величины ^Р, т). Значения этого минимума монотонно убывают с ростом числа значащих разрядов. Величина энергетических потерь в точке минимума достаточно мала (<0,3дБ) уже при т=6. Для поддержания оптимальности процедуры цифрового представления достаточно обеспечить сохранение заданного уровня соотношения шага квантования и среднеквадратического отклонения квантуемого процесса.

В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с обеспечением временной избирательности решений в дополнительном канале связи.

Для режима вхождения в синхронизм с использованием критерия Неймана- Пирсона определён порог принятия решений:

п.=

<1пГ,) , С.(к>

I1

11 + 4« V С(к) где Р|- вероятность ложного обнаружения.

Вероятность правильного обнаружения при этом определится как:

Ь+ч:

где 0(х,у)- табулированная функция

0,=в(л/2Ь.

Особенностью фазы поддержания синхронизма в дополнительном канале, реализующим приём ШПС в режиме обработки записей отсчётов сигналов, формируемых в соответствии с требованиями теоремы отсчётов, при условии минимизации объёма, является сопоставимость шага регулирования с шириной основного лепестка АКФ ШПС. В этом случае дискретная система синхронизации (ДСС), реализующая кольцо ФАП с дискриминаторам рассогласований не обеспечивает удовлетворительного качества поддержания синхронизма.

Для решения задачи синхронизации в режиме обработки записей отсчётов выполнен анатиз системы регулирования разомкнутого типа, использующий управление на основе процедуры выбора максимума отклика из некоторого ряда откликов в окрестностях точки синхронизма, опредслёшшй на предыдущем шаге регулирования. Процесс регулирования в такой ДСС описан простой однородной цепыо Маркова, задаваемой матрицей одношаговых переходных вероятностей В целях уменьшения размерности задачи, пространство состояний ДСС было преобразовано объединением состояний, лежащих в области потери синхронизма и учёта симметрии относительно точки нулевого рассогласования.

71,,

, к«В8;

Одношаговые вероятности перехода определены через распределения отсчётов ряда откликов -щ^х), по формуле

¡7

Ы-М I

и ]

[о, 11-з!>М,|1(<К;1.|<1С

О

М- одностороння ширина окна выбора ряда откликов.

у

В процессе численного анализа, для определения качества ДСС рассчитывалась зависимость от параметров грех характерней!к:

- среднее число шагов до срыва синхронизации:

N. = ¿«[По - рь(1)ж»<п).

- средний коэффициент использования энергии, энергетически характеризующий влияние погрешностей синхронизации на процесс приемаШПС:

й Я(к + т.)ёЛ

где вероятности состояний ДСС, т.- остаточное рассогласования, обусловленное дискретным характером регулирования, 5д - относительная величина шага,

- изменение вероятности ошибочного приема вследствие воздействия погрешностей синхронизации:

Рош 1 ЧГ-* *

=

Я]

•Рк' я(к + т-)й Л1

[ л(к+:,)6д |

В процессе анализа рассматривалась два способа формирования записей отсчётов, отличающихся, при равном объёме отсчётов, величиной относительного шаге дискретизации 8д. Один вариант предполагает запись отсчётов аддитивной смеси до процедуры ортогонального разложения, второй- после её выполнения.

Полученные зависимости характеристик качества от параметров рассматриваемой ДСС показывают:

♦ необходимое качество синхронизации по задержке может быть обеспечено при минимальной размерности ряда сравниваемых откликов, - равно трём (М=1);

♦ обязательным условием является использование накопительной процедуры по элементам ряда, обеспечивающей повышение отношения сигнат/помеха, характеризующего энергетический потенциал ряда, до уровня, соответствующего удовлетворительному качеству синхронизации;

♦ Способ формирования записей отсчётов оказывает сильное влияние на качество работы ДСС, вследствие существенных различий в величине 5д. Более предпочтительным является вариант с формирователем отсчётов до ортогонального разложение аддитивной смеси.

Четвертая глава включает материалы по разработке алгоритма моделирования дополнительного канала связи с ШПС на ПЭВМ и анализу результатов модельного эксперимента.

Полученные в процессе статистического синтеза правила приёма ШПС преобразованы в алгоритм, обеспечивающий необходимое взаимодействие правила оценивания с правилом решений, реализуемый программным средствами. Для правила оценивания НФИ, не имеющего аналитического решения,

разработана процедура получения приближённых решений с контролируемым уровнем точности, минимизирующих объём вычислительных операций. В качестве объекта эксперимента рассматривался вариант приёма ШПС с неизвестной начальной фазой, имеющий наибольшее практическое значение.

Для получения реализаций аддитивной смеси сигналов и помех, наблюдаемых на входе приёмника дополнительного канала с ШПС, разработана компьютерная модель, позволяющая адекватно отобразить весь спектр существенных воздействий канала на ШПС, описанный исходной статистической моделью дополнительного канала с ШПС. Воспроизведение изменчивости параметров в пределах полосы частот, занимаемой ШПС, обеспечено использованием процедуры формирования смеси в дискретной частотной области. Для этого исходный информационный сигнал формировался как преобразование бинарной случайной последовательности сообщений в последовательность ДПФ, используемых ШПС, в качестве которых применены псевдослучайные последовательности максимальной длины.

Воздействие канала на фазовую структуру ШПС реализовывалоеь введением квадратичных НФИ, уровень которых формировался, как цепь случайных блужданий с ограниченной скоростью в фиксированной области значений. Область возможных значений уровней НФИ выбрана таким образом, что потери при реализации приёма без учёта НФИ имеют величину, при которой происходит почти полная потеря сообщения (Ро«0,5). Многомодовый характер распространения ШПС в канапе реализуется формированием двухмодово-го сигнала со случайным временным сдвигом, независимыми уровнями НФИ и равным уровнем мощности, при котором взаимное влияние мод максимально.

Помеховая составляющая аддитивной смеси с неравномерным энергетическим спектром формируется путём преобразования комплексных нормально распределённых чисел, в ДПФ аддитивной помехи. Нормальные числа умножаются на коэффициенты, определяемые двухуровневой моделью дискретного энергетического спектра помех, с заданной степенью неравномерности. С целью усреднения результатов по возможному ансамблю спектров, производится периодическое случайное переформирование энергетического спектра.

Таким образом, компьютерная модель сигналов и помех позволяет получать реализации аддитивной смеси, которые во всех своих существенных характеристиках соответствуют математической модели канала. Единственным существенным различием между реализациями аддитивной смеси, получаемыми посредством компьютерной модели и реализациями, наблюдаемыми в реальном канале, являются уровни энергетических соотношений мод помехи и степень неравномерности спектра помех. В реальном канале эти характеристики изменяются в течение сеанса связи, а в модели - фиксированы с целью получения однородных выборок потоков ошибок. На основе результатов теоретического исследования был спроектирован (в смысле определения комплекса параметров СГТДИ, определяющих качество приёма) канал связи с

ШЛС с тремя значениями качества дискретной информации (Ро,,,- 10Л; Р()ш=10" 2; Рош-Ю '), позволяющий оценить степень точности теоретического анализа правил приёма. Степень неравномерности спектра аддитивных помех р=Ю и база ШПС В/б 11 фиксировались на постоянном уровне, отношение ШПС/помеха - соответственно была переменной величиной, равной: -26,3 дБ; -28,3 дБ и -32 дБ.

В процессе, моделирования фиксировались следующие виды ошибок; ошибки в распознавании ШПС, ошибки частных оценок уровней НФИ и ошибки сглаженных оценок уровней НФИ. Анализ результатов моделирования заключался в вычислении оценок вероятностей ошибочного приёма и дисперсий ошибок оценивания уровней НФИ и сопоставлении их с теоретическими значениями при доверительных интервалах, определяемых с доверительной вероятностью, равной 0,9. Выполненный анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы:

♦ Результаты моделирования подтверждают полученные в процессе теоретического анализа выводы о высокой эффективности синтезированных оптимальных алгоритмов приёма ШПС в дополнительном канале связи.

♦ Для вероятностей ошибок РОИ1<10~2, имеет место соответствие результатов модельного эксперимента и теоретических оценок по всем видам ошибок.

♦ Для вероятностей ошибок Р„ш>10"" теоретический прогноз даёт меньшие значения характеристик ошибок чем наблюдается в эксперименте, что свидетельствует об изменении характера ошибок оценивания НФИ и увеличении их влияния на прием.

Основные результаты работы

1. Разработана математическая модель дополнительного канала связи с ШПС, учитывающая комплекс существенных искажений сигнала в данном типе канала, осуществляющего передачу дополнительной дискретной информации по «загруженному» каналу связи.

2. Синтезированы оптимальные алгоритмы приёма ШПС в дополнительном канале, ориентированные на применение цифровых адаптивных методов обработки сигналов.

3. Синтезирован оптимальный алгоритм оценивания НФИ в каналах с дисперсионным характером распространения сигналов и мощной аддитивной помехи с неравномерным спектром.

4. Проведён теоретический анатиз синтезированных оптимальных алгоритмов и получены соотношения, устанавливающие зависимость характеристик качества решений от параметров обрабатываемой аддитивной смеси сигналов помех. Установлено, что учет неравномерности спектра аддитивной помехи позволяет получить существенный энергетический выигрыш при наличии сосредоточенных помех, а фазовые искажения могут быть оценены и учтены в процессе приема ШПС с незначительными (<0,1 дб) потерями.

5. Выполнен анализ воздействия неидеальности АКФ реальных ШПС на процедуру оценивания НФИ и определены условия разделения мод сигнала для данной процедуры.

6. Решена задача выбора параметров цифрового представления отсчётов аддитивной смеси в дополнительном канале связи. Установлено, что в дополнительном канате несущественный уровень потерь (<0,3 дб), обусловленных влиянием цифрового представления аналоговых сигналов, обеспечивается при разрядности АЦП равной 6, если соотношение шага квантования и среднеквадратического отклонения квантуемого процесса поддерживается на заданном уровне.

7. Разработана и исследована дискретная система синхронизации, обеспечивающая необходимое качество временной избирательности решений при реализации приёма в дополнительном канале в режиме обработки записей отсчётов сигналов.

8. Выполнено компьютерное имитационное моделирование СПДИ по «загруженному» канату связи, (при отношениях сигнал / помеха на входе приемника ШПС: -26,3 дб -г -32 дб) результаты которого подтвердили высокую эффективность синтезированных алгоритмов и хорошее совпадение теоретических оценок качества этих алгоритмов с результатами, полученными моделированием, в области удовлетворительного качества приема (вероятность ошибочного приема Püni<10"").

Новизна технических решений, полученных в процессе исследования, защищена 13 авторскими свидетельствами.

Публикации по теме диссертации

1. Чувашов A.M., Климов И.З. Система синхронизации для приёма широкополосных сигналов в дециметровом канале связи. LII научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов. Часть II. Москва 1997г., с.133-134.

2. Чувашов A.M., Климов И.З. Хворенков В В. Моделирование однородной марковской последовательности. Груды VII Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации. Часть IV, Москва - Вильнюс, 1978г., с.55-60.

3. Чувашов A.M., Рогозпев С.В. Субоптимальный приём широкополосных сигналов при аддитивных помехах с неравномерным спектром. XXXI научно-техническая конференция 1998г. Тезисы докладов, часть 11. Ижевск 1998г. с.3-5.

4. A.C. №634463 (СССР). Устройство для контроля качества каната связи./ Климов И.З., Хворенков В.В., Чувашов A.M.- Опубл. В БИ, 1978, №43.

5. A.C. №684757 (СССР). Устройство цифровой синхронизации./ Климов И.З., Хворенков В.В.,Чувашов A.M. Опубл. В БИ 1979 №33.

6. A.C. №766665 (СССР). Устройство декодирования пространственно-временного кода/ Климов И.З., Хворенков В.В., Чувашов A.M.- Опубл. В БИ 1970, №13.

7. A.C. №807312 (СССР). Имитатор дискретного канала связи./ Климов И.З., Хворенков В.В., Чувашов A.M., Юминов О.Б.- Опубл. В БИ, 1981, №7.

8. A.C. №842827 (СССР). Имитатор дискретных каналов связи./ Климов И.З., Хворенков В В., Чувашов A.M.. Юминов О.Б.- Опубл. В БИ, 1981, №24.

9. A.C. №902302. Устройство для приема цифровой информации. / Чувашов

A.M., Климов И.З., Хворенков В.В., Цыркин В.Н., Попов В.А., опубл. В БИ, 1982 -№4.

10. A.C. №907860 (СССР). Цифровой некогерентный демодулятор сигналов относительной фазовой телеграфии./Чувашов A.M., Климов И.З., Хворенков

B.В., Цыркин ВН., Рыбин B.C.- Опубл. в БИ 1982, №7.

11. A.C. №966895 (СССР). Устройство декодирования пространственно-временного кода./ Юминов О.Б., Климов И.З., Парфёнов Н.П., Чувашов A.M.- Опубл. в БИ, 1982, №38.

12. A.C. № 203948 (СССР). Фомин A.M., Цыркин В.Н., Власова Г.Л., Климов И.З., Чувашов A.M.

13. A.C. № 221653 (СССР). Власова Г.Л.Дыркин В.Н., Фомин A.M., Чувашов A.M., Климов И.З.

14. A.C. № 233157 (СССР). Чувашов A.M., Власова Г.Л.,, Цыркин В.Н., Фомин A.M. Климов И.З.

15. A.C. № 248459 (СССР). Власова Г.Л.Дыркин В.Н., Климов И.З., Чувашов A.M.

16. A.C. № 254454 (СССР). Власова Г.Л.Дыркин ВН., Чувашов A.M., Климов И.З.