автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование методов передачи дискретных сигнальных последовательностей по каналам с межсимвольной интерференцией

На правах рукописи

> X А

005533520

Хабаров Евгений Оттович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛЬНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ С МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ

Специальность 05.12.13 — «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

2 6 СЕН 2013

Самара 2013

005533520

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО ПГУТИ, г. Самара).

Научные консультанты:

—заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Кловский Даниил Давыдович,

-доктор технических наук, профессор Николаев Борис Иванович.

Официальные оппоненты:

Васильев Константин Константинович - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Телекоммуникации» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО УлГТУ) , г. Ульяновск;

Парамонов Алексей Анатольевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиосистем передачи информации Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (ФГБОУ ВПО МГТУ РЭА), г. Москва;

Чесноков Михаил Николаевич - доктор технических наук, профессор, ведущий инженер общества с ограниченной ответственностью «Специальный Технологический Центр» (ООО СТЦ), г. Санкт-Петербург.

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Московский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский радиотехнический институт» (ОАО МНИРТИ), г. Москва.

Защита состоится «11» октября 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д219.003.02 при Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л. Толстого, д. 23. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО ПГУТИ.

Автореферат разослан «_09_» _сентября_ 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д219.003.02, /

доктор технических наук, профессор /2^7 Д.В. Мишин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Представленная диссертационная работа лежит в русле исследований и разработок, которые проводились на кафедре теоретических основ радиотехники и связи (ранее кафедра теории передачи сигналов) под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н. проф. Д.Д. Кловского.

В процессе своей работы автор опирался на труды Д.Д. Кловского, Б.И. Николаева, В.Г. Карташевского, С. М. Широкова, Д. В. Мишина, В.П. Зайкина, Ю.В. Алы-шева, A.B. Борисенкова, A.M. Чингаевой, и др., которые в разное время принимали участие в указанных исследованиях.

Кроме того, в этом плане необходимо отметить работы отечественных учёных, таких как С.С. Бек, Н.Е.Кириллов, П. Я. Нудельман, A.A. Парамонов, Ю.А. Тамм, Н.П. Хворостенко, И.А. Цикин, М.Н. Чесноков, и др.

Из зарубежных публикаций следует отметить таких учёных как D.W. Tufts, G. Un-gerboeck, J. Proakis, Kobayashi, G. D. Forney, A. J. Viterbi, C. Berrou, A. Glavieux, P. Robertson, T. Wörz, J.E. Mazo и др.

Предлагаемая диссертационная работа посвящена проблемам обработки сигнальных последовательностей на выходе каналов с межсимвольной интерференцией (МСИ), под которой понимается перекрытие во времени элементов сигнальной последовательности, что приводит к нарушению их взаимной ортогональности.

Наиболее распространёнными причинами этого явления могут быть:

• многолучевое прохождение сигнала в среде распространения;

• неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), в том числе ограничение полосы пропускания канала связи величиной, меньшей т.н. полосы Найквиста.

К каналам с многолучевым распространением следует отнести радиоканалы коротковолнового (декаметрового) диапазона, каналы мобильной связи, тропосферные линии связи, каналы космической связи при малых углах места и т.д.

Особенностью таких каналов является наличие замираний, и, как следствие, изменение во времени его параметров, в том числе отклика канала на единичный сигнальный элемент (СЭ). В настоящее время разработаны различные методы оценивания параметров канала на приёмной стороне. При этом оценивание реакции канала на единичный СЭ может осуществляться как по рабочим (информационным) сигнальным элементам, так и по специальным тестовым (испытательным) сигналам. Как показывают теоретические исследования, а также лабораторные и линейные испытания, приведённые методы оценивания реакции канала обеспечивают высокую точность и быстродействие даже при работе в условиях декаметрового (ДКМВ) канала, для которого характерны быстрые изменения параметров во времени.

Это обстоятельство дает основание осуществлять анализ помехоустойчивости предлагаемых алгоритмов в предположении, что канал связи обладает свойством локальной стационарности, а его параметры, в том числе реакция канала на единичный СЭ известны на приёмной стороне.

Актуальность темы исследования. Данная диссертационная работа посвящена проблемам передачи дискретной информации последовательным (одноканаль-ным) методом по каналам с МСИ, вызванной различными физическими причинами.

Последовательные методы передачи дискретных сообщений всегда привлекали внимание разработчиков телекоммуникационных систем, предназначенных для работы в каналах с временным рассеянием и многолучевым распространением. Несомненными достоинствами подобных систем являются устойчивость к селективным по частоте замираниям, независимый характер замираний сигналов отдельных лучей, а также хороший пик-фактор, позволяющий эффективно использовать возможности передающей аппаратуры.

Основной причиной, затрудняющей широкое внедрение таких методов передачи в телекоммуникационных системах различного типа, является характерное для них явление МСИ, которая существенно осложняет обработку принимаемых сигналов в подобных системах.

Несмотря на то, что оптимальные и субоптимальные алгоритмы демодуляции сигнальных последовательностей при наличии МСИ разработаны достаточно давно, до начала 90-х годов прошлого века их реализация была затруднена по причине отсутствия соответствующей элементной базы. Тем не менее, последовательные методы передачи по каналам с рассеянием были использованы в некоторых разработках и стандартах КВ-модемов, а также в системах мобильной связи стандарта GSM.

Другим существенным фактором, ограничивающим применение одноканальных методов передачи, являются трудности, возникающие в каналах с МСИ, при реализации новейших методов помехоустойчивого кодирования. В этом плане особенно следует отметить методы формирования и декодирования сигналов с турбо-решетчатой кодовой модуляцией — ТРКМ (turbo-trellis-coded modulation —'ТТСМ), основой которых послужили разработанные ранее системы с решетчатой кодовой модуляцией (РКМ) на основе свёрточных кодов.

В данной диссертационной работе предложены алгоритмы демодуляции, а также методы декодирования сигнальных последовательностей с РКМ и ТРКМ при наличии МСИ в канале связи (см. ниже «Задачи диссертации» п.п. 2,3,4). Кроме того, проведён анализ характеристик качества предложенных демодуляторов и декодеров. Основной особенностью предложенных методов демодуляции и декодирования является использование обратной связью по решению (ОСР), которая, несмотря на риск размножения ошибок, позволяет улучшить помехоустойчивость приёмника при наличии МСИ.

С учётом приведённых выше соображений такая постановка задачи является актуальной. Другой важной задачей диссертационной работы (см. ниже «Задачи диссертации» п.п. 5), является исследование возможности и целесообразности передачи дискретных сообщений по каналам с ограниченной полосой пропускания при удельной скорости модуляции, превышающей т.н. скорость Найквиста.

Традиционный метод увеличения информационной скорости при передаче дискретных сообщений состоит в применении сигнальных конструкций с увеличенной позиционностью. Такой подход, с одной стороны, приводит к логарифмическому росту скорости передачи информации, но, с другой стороны, приводит к уменьшению минимального евклидова расстояния между точками сигнального созвездия, что снижает помехоустойчивость телекоммуникационной системы.

Альтернативный метод повышения информационной скорости состоит в увеличении скорости модуляции, т.е. в уменьшении тактового интервала. Такой подход, в

свою очередь, приводит к росту как средней, так и пиковой мощности, а также к возникновению МСИ, которая способствует ухудшению различимости различных вариантов сигнальных последовательностей.

Оптимальный подход состоит в определении наилучшего соотношения между позиционностью сигнальной системы и скоростью модуляции. Из материалов данной диссертационной работы следует, что при работе в каналах с ограниченной полосой такой подход позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышенной помехоустойчивостью, что, безусловно, является актуальной задачей.

Объект исследования. Объектом исследования данной диссертационной работы являются последовательные (одноканальные) системы передачи дискретных сообщений по каналам с МСИ, обусловленной различными физическими факторами.

Цели и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является разработка и исследование эффективных методов обработки сигнальных и сигнально-кодовых конструкций при работе в каналах с МСИ различного типа применительно к последовательным (одноканальным) системам связи.

Задачами диссертационной работы являются:

1 - анализ существующих методов обработки сигнальных последовательностей при наличии МСИ;

2 - разработка и исследование методов улучшения характеристик демодуляторов при работе в каналах с МСИ;

3 — разработка и исследование методов декодирования сигналов с РКМ на основе свёрточных кодов;

4 — разработка и исследование методов декодирования сигналов с ТРКМ на основе турбо-кодов;

5 — исследование возможности и целесообразности передачи дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции.

Методы исследования. В работе используются методы теории вероятностей и теории случайных процессов, линейной алгебры, вариационного исчисления, методы теории оптимального приёма, а также методы современной теории помехоустойчивого кодирования. Проверка результатов исследования осуществлялась путём имитационного моделирования на компьютере с использованием языка технических вычислений МАТЬАВ, а также языка С++.

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Обоснованность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач, решаемых в диссертационной работе, на основе известной модели канала связи с МСИ, в математическом смысле адекватной реальным каналам связи.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью использования математического аппарата, сопоставлением с аналогичными результатами, полученными другими исследователями, а также сопоставимостью результатов, полученных путём имитационного моделирования и аналитического расчёта, в т.ч. соответствием дистанционных и вероятностных (статистических) характеристик помехоустойчивости.

Научная новизна результатов исследования. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен метод демодуляции сигнальных последовательностей при наличии МСИ, предусматривающий на первом этапе проецирование принимаемой сигнальной последовательности на некоторое конечномерное линейное подпространство, а на втором этапе - принятие решения на основе субоптимального алгоритма переборного типа.

2. Предложены методы двунаправленной демодуляции сигнальных пакетов с помощью выравнивателя с обратной связью по решению (ВОСР), а также с помощью алгоритма Кповского-Николаева (АКН), с арбитражем на основе «мягких» решений, полученных при демодуляции в прямом и обратном направлениях.

3. Предложен алгоритм двунаправленного мягкого декодирования с ОСР по кодовой решётке для сигнальных последовательностей с решётчатой кодовой модуляцией (РКМ) на основе свёрточных кодов, при котором каждому предыдущему состоянию (узлу) кодовой решётки ставится в соответствие свой регистр обратной связи, с последующим арбитражным принятием решения. При этом оценки сигнальных амплитуд для регистров ОСР определяются на основе жёстких решений по максимуму правдоподобия из всех путей, входящих в данное состояние.

4. Предложена процедура декодирования по правилу максимума апостериорной вероятности (МАВ-декодирования) сигнальных последовательностей с турбо-решётчатой кодовой модуляцией (ТРКМ) при наличии МСИ с использованием ОСР по кодовой решётке, которая предполагает формирование регистров обратной связи для каждого состояния кодовой решётки. При этом оценки сигнальных амплитуд для регистров ОСР определяются как апостериорное среднее по всем возможным путям, входящим в соответствующее состояние.

5. Предложена структура турбо-декодера сигнальных последовательностей с ТРКМ на основе указанного выше МАВ-декодера с ОСР по кодовой решётке, а также традиционного МАВ-декодера, использующего процедуру турбо-выравнивания с подавлением МСИ.

6. Дано определение малопозиционной сигнальной системы как системы, при использовании которой для получения заданной удельной скорости передачи информации требуется повышенная, по сравнению с найквистовской, удельная скорость модуляции при меньшей позиционности сигнальной системы.

7. Показано, что для сигнальных последовательностей видеоимпульсов, модулированных по амплитуде, для двухполосных сигнальных последовательностей с фазовой и квадратурной модуляцией, а также для последовательностей с турбо-решетчатой кодовой модуляцией использование малопозиционных сигнальных систем не только возможно, но и целесообразно, поскольку позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышенной помехоустойчивостью.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Переборный демодулятор на основе алгоритма Кловского - Николаева (АКН) обеспечивает несколько лучшие характеристики, чем выравниватель с обратной связью по решению (ВОСР), при этом энергетический выигрыш при сильно выраженной МСИ составляет до 1.5 дБ при вероятности ошибки на бит рь = 10"4.

2. Применение обратной связи по решению (ОСР) существенно улучшает помехоустойчивость алгоритма обобщённого максимального правдоподобия, несмотря на возникающий эффект размножения ошибок (энергетический выигрыш составляет от 1.5 дБ до 3 дБ при ръ = КГ*).

3. Применение двухэтапного демодулятора сигнальных последовательностей при наличии МСИ, который на первом этапе осуществляет проецирование принимаемой сигнальной последовательности на конечномерное линейное подпространство, а на втором этапе - принятие решения на основе субоптимального алгоритма переборного типа, обеспечивает энергетический выигрыш по сравнению с классическим одномерным случаем от 0, 8 дБ до 1,5 дБ при вероятности ошибки на бит рь = КГ4 в

каналах с МСИ различного типа.

4. Алгоритм двунаправленной демодуляции сигнальных пакетов с помощью ВОСР с арбитражем на основе «мягких» решений, полученных при демодуляции в прямом и обратном направлениях обеспечивает энергетический выигрыш по сравнению с однонаправленным случаем в пределах до 2 дБ при рь = 10"*.

5. Применение алгоритма двунаправленного мягкого декодирования с ОСР по кодовой решётке с последующим арбитражем для сигнальных последовательностей с РКМ на основе свёрточных кодов позволяет обеспечить устойчивую работоспособность в каналах с МСИ различного типа (энергетический выигрыш по отношению к системе без кодирования при демодуляции на основе ВОСР составляет не менее 3 дБ при рь = Ю-4).

6. Процедура МАВ-декодирования сигнальных последовательностей с ТРКМ в каналах с МСИ при использовании ОСР по кодовой решётке обеспечивает устойчивое декодирование указанных последовательностей при наличии МСИ различного типа.

7. При наличии сильно выраженной МСИ применение турбо-декодера сигнальных последовательностей с ТРКМ на основе указанного выше МАВ-декодера с ОСР по кодовой решётке, а также традиционного МАВ-декодера позволяет улучшить помехоустойчивость по сравнению с классическим турбо-выравнивателем с подавлением МСИ [Л. 4] (энергетический выигрыш составляет более 2 дБ при рь = 10~5).

8. Подтверждена целесообразность использования малопозиционных сигнальных и сигнально-кодовых конструкций с повышенной удельной скоростью модуляции (с превышением скорости Найквиста).

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие содержание данной диссертационной работы, получены автором самостоятельно, и соответствуют пунктам 3, 8 и 11 паспорта специальности 05.12.13.

Практическая значимость и область применения результатов. Представленные в данной диссертационной работе алгоритмы демодуляции и декодирования сигнальных и сигнально-кодовых конструкций, а также соответствующие дистанционные и вероятностные характеристики могут быть использованы при разработке высокоэффективных телекоммуникационных систем, предназначенных для работы в каналах связи с МСИ, обусловленной различными физическими факторами. Применение малопозиционных сигнальных систем с повышенной удельной скоростью

модуляции позволит улучшить помехозащищённость телекоммуникационных систем при работе в каналах с ограниченной полосой пропускания.

Внедрение результатов. Научные результаты, представленные в диссертации, использовались в следующих хоздоговорных НИР:

• в НИР «Разработка одночастотного модема для пакетной передачи информации со скоростью 4800 бит/с, при возможном увеличении скорости до 9600 бит/с, по декаметровым радиоканалам малой и средней протяжённости» (шифр «Модем-КВ-1-ПГАТИ»), выполненной по договору № 18/04/10 от 14.01. 2005, между ОАО «Концерн Созвездие» (г. Воронеж) и ГОУВПО ПГАТИ;

• в НИР «Системные исследования по определению рациональных путей создания перспективной оперативной многоцелевой космической системы сбора и передачи данных (с наземных платформ и целевой аппаратуры КА наблюдения), разрабатываемой на базе космических комплексов дистанционного зондирования Земли социально-экономического и коммерческого назначения разработки ЦСКБ» (шифр «Самара-3»), проводимой ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс в соответствии с госконтрактом с Росавиакосмосом №353-5073/99 от 07.07.99 г.;

• в НИР «Исследования возможности увеличения продолжительности сеансов передачи информации при пролёте КА в зоне видимости наземного пункта (НП) при малых углах места», шифр «Горизонт-3», проводимой ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» в соответствии с госконтрактами с Росавиакосмосом № 353-2103/04 от 27.02.2004 г. и № 353-0120/05 от 24.02.2005 г.;

• в НИР «Разработка математических и вычислительных методов «слепой обработки сигналов (СОС) и изображений в системах радиотехники, связи и ДЗЗ», проводимой с 2009 г. и по настоящее время за счёт собственных средств ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс»;

• в НИР «Разработка способов повышения качества передачи дискретных сообщений в сетях сотовой связи стандарта GSM 900/1800» выполненной по договору № 01-03-03-875 от 24.11.2003 между ОАО СМАРТС» (г. Самара) и ГОУВПО ПГАТИ (ПГУТИ).

• в НИР «Организация и проведение натурных испытаний макета многорежимного модема КВ-диапазона, разработка демонстрационных материалов» (шифр «ДЕМО»), выполненной по договору № 2/10/01-03-01-93 от 15.03.2010 между ОАО СМАРТС» (г. Самара) и ГОУВПО ПГУТИ.

Использование результатов данной диссертационной работы в указанных выше НИР подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы прошли апробацию на 55 научно-технических конференциях, в том числе: на XXXVI, LI, LII и LVIII научных сессиях НТОРЭС им А.С. Попова; на VII, VIII, X, XI и XV МНТК «Радиолокация, навигация и связь»; на III,V,VI,VII МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основная часть работы содержит 305 страниц текста, в том числе 85 рисунков и 4 таблицы. В список литературы внесено 219 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, её актуальность, научная новизна, сформулированы цели и задачи исследования

В первой главе диссертационной работы, которая носит обзорный характер, показано, что МСИ может привести к нарушению взаимной ортогональности единичных элементов сигнальной последовательности ф(¡-к-Т) при её прохождении через канал связи, или, что эквивалентно, к нарушению свойства отсчётности автокорреляционной функции (АКФ) единичного СЭ:

у(*Г)=(ф(/),ф(г-*-:г))*0; * = ±1,±2,±3.......(1)

где *]/(/) - АКФ единичного СЭ, Т — тактовый интервал.

Это явление приводит к ухудшению различимости различных сигнальных последовательностей, т.е. минимальный квадрат расстояния между различными сигнальными последовательностями (дистанционная характеристика) уменьшается по сравнению со случаем ортогональных сигналов:

к*у

где (/), (/) варианты сигнальных последовательностей, — квадрат евкли-

дова расстояния между точками сигнального созвездия, 4/(0) = Ещ - энергия единичного СЭ.

В данной главе приводится модель канала связи с МСИ, обусловленной как многолучевым распространением в канале, так и ограничением его полосы пропускания. В этом случае вектор-функция принимаемого сигнала на выходе низкочастотного эквивалента канала определяется следующим образом:

о)

где - амплитуды СЭ, т е 0;М-1 номер варианта амплитуды СЭ; М - позиционность сигнальной системы; N (*) - вектор-функция канального шума, а элементы вектор-функции единичного СЭ ф(г) определяются с учётом многолучевого распространения в канале:

ФЛО^ХЫ'--1,)]®*^). ' (4>

где х(0 - определяет СЭ на выходе передающего фильтра, хр- задержку луча с номером ре1;Р, у1р- комплексный коэффициент передачи по данному лучу составляющей сигнала с номером у, (?) - импульсная характеристика соответствующего приёмного фильтра.

Кроме того, приводится фрагмент расширенного канала связи, который включает в себя многомерный адаптивный согласованный фильтр (МАСФ), последовательность отсчётов на выходе которого у представляет собой набор достаточных статистик для вектор-функции (3).

В данной главе приводятся также алгоритмы функционирования демодуляторов, предназначенных для работы в таких каналах, в том числе алгоритм максимального правдоподобия:

Л» =аг8 тах|^г(0|з(" =йм)} = аг§тах= ь«|;*еТа, (5)

где ¿(,) - амплитуда демодулируемого СЭ с номером I, Ь(,)- вектор амплитуд сопровождающих СЭ (с учётом всего сигнального пакета), к - номер его варианта, интервал анализа Та равен длительности сигнального пакета.

Если в (5) выделить максимальное слагаемое, ограничить Т интервалом временного рассеяния единичного СЭ, применить ОСР, то от (5) можно перейти к алгоритму приёма в целом с поэлементным принятием решения, известному как АКН:

т ' =агцтт<шт

т к

ЦО-зММ) , (6)

где элементы вектор-функции Ъ (?) определяются с учётом действия ОСР: ¿>(0=^(0-2 (7)

где, в свою очередь, - интервал рассеяния единичного СЭ (память канала), выраженный в тактовых интервалах.

Кроме того, в данной главе рассмотрены демодуляторы, в основу которых положены методы линейной коррекции, в т.ч. линейный выравниватель (ЛВ), и выравниватель с ОСР (ВОСР), оптимизированные по критерию минимума СКО.

Здесь же приводятся аналитические выражения для вероятностных характеристик основных типов приведённых демодуляторов, а также соответствующих дистанционных характеристик.

Применительно к алгоритму (6) такая характеристика определяется при безошибочной (идеальной) ОСР, как определённое на интервале анализа минимальное расстояние между всеми возможными вариантами принимаемых сигнальных последовательностей, которые отличаются позициями сигнального элемента с номером I:

(8)

т*ц и1 11 )

Для демодуляторов на основе выравнивающих фильтров (ВФ) аналогичная характеристика определяется следующим образом:

где о2а - дисперсия шумовой помехи на выходе ВФ, обусловленной как канальным

Рис. 1. Характеристики помехоустойчивости при работе в двухлучевом канале связи с лучами равной интенсивности ( у, = у2 = 1, т = 1.5Т) при использовании двоичной системы противоположных сигналов при V = 1 Бод/Гц:

1 - приём при принудительном подавлении МСИ (потенциальная кривая);

2 - демодуляция по субоптимальному алгоритму переборного типа без ОСР;

3 - демодуляция в соответствии с АКН при идеальной обратной связи;

4 — демодуляция в соответствии с АКН при реальной ОСР.

Основным результатом исследований, приведённых в данной главе, являются характеристики качества ряда демодуляторов в каналах с МСИ.

На рис. 1 приведены вероятностные (статистические) характеристики субоптимальных демодуляторов переборного типа, полученные методом имитационного моделирования для двухлучевого канала. Из представленных результатов следует, что применение ОСР позволяет улучшить характеристики таких демодуляторов, несмотря на риск размножения ошибок в цепи обратной связи.

Данный тезис подтверждается также дистанционными характеристиками, полученными аналитическим путём и представленными первой главе.

В диссертационной работе также представлены аналогичные характеристики, демонстрирующие справедливость подобного тезиса и для демодуляторов на основе ВФ, что подтверждает результаты, известные в литературе [Л. 2].

На рис. 2 представлены характеристики различных методов демодуляции в канале с МСИ, обусловленной как повышенной удельной скоростью модуляции V, так и многолучевым распространением. Из представленных результатов следует, что АКН обеспечивает несколько лучшие характеристики, чем выравниватель с обратной связью по решению (ВОСР), однако уступает алгоритму Витерби с неограниченной задержкой.

(I2 сШ

Рис. 2. Характеристики помехоустойчивости при работе в двухлучевом канале связи ( у, = у2 = 1, т = 1.5Г ) при у = 2% Бод/Гц:

1 — потенциальная кривая;

2 — демодуляция сигнального пакета по алгоритму Витерби с задержкой в принятии решения, равной длине пакета (приём в целом);

3 — демодуляция сигнального пакета в соответствии с АКН;

4 - демодуляция сигнального пакета ВОСР по критерию минимума СКО.

Во второй главе приводятся результаты разработки и анализа методов повышения помехоустойчивости поэлементных демодуляторов с ОСР, предназначенных для работы в каналах с МСИ (без применения корректирующих кодов).

В том числе рассматривается демодулятор, предусматривающий принятие решения относительно демодулируемого сигнального элемента в два этапа:

• первый этап, на котором осуществляется проецирование принимаемой сигнальной последовательности на некоторое конечномерное линейное подпространство ;

• второй этап, на котором осуществляется принятие решения на основе субоптимального алгоритма переборного типа с учётом корреляционных свойств вектора проекции аддитивной помехи на пространство 91м .

Структурная схема аналоговой модели соответствующего демодулятора представлена на рис. 3. В её состав входят МАСФ, линия задержки с элементами обратной связи по решению, /Г + 1 сумматоров, к входам каждого из которых подключены соответствующие перемножители, на одни входы которых подаются весовые

Рис. 3. Структурная схема демодулятора на основе МТВФ.

коэффициенты соответствующего ВФ 8 а вторые входы подключены к соответствующим отводам упомянутой линии задержки, которая совместно с сумматорами и весовыми элементами образует многомерный трансверсальный выравнивающий

фильтр (МТВФ). Величины х(координаты проекции принимаемого сигнала на

) подаются на блок принятия решения (БПР), который принимает решение на основе поиска минимума квадратичной формы:

«й»> = аг8тш{[х" (*<;>;Ц)]А- [*-*(£"#)]} (10)

где х - вектор-столбец координат указанной проекции; вектор-столбец

координат проекции опорного сигнала; А — ковариационная матрица проекции совокупной аддитивной помехи, обусловленной как канальным шумом, так и остаточной МСИ; Ъ— один из возможных вариантов амплитуды демодулируемого СЭ;

те0;М-1; Ь'к=[б<'+1) .. .. б''**'^ — вектор амплитуд сопровождающих СЭ;

ке1;Мк , н — символ эрмитова сопряжения.

И2с1В

Рис. 4. Характеристики демодуляторов с ОСР для канала с импульсной характеристикой ф = [0,407 0,815 0,407]:

1 -потенциальная кривая; 2 - одномерное выравнивание (К = 0) идеальная ОС; 3 — одномерное выравнивание (К = 0 )реальная ОСР; 4 - многомерное выравнивание (К = 3) идеальная ОС; 5 — верхняя аддитивная граница для кривой 4, полученная аналитически; 6 — многомерное выравнивание (К = 3) реальная ОСР.

Результаты имитационного моделирования, а также аналитических расчётов показывают, что применение многомерного выравнивания позволяет улучшить помехоустойчивость демодулятора по сравнению с одномерным случаем при работе в каналах с МСИ различного типа. При этом энергетический выигрыш находится в пределах от 0,8 до 1,5 дБ при pb = 10"4.

С целью получения результатов, сопоставимых с известными, было проведено имитационное моделирование, а также осуществлён аналитический расчёт характеристик демодуляторов с ОСР на основе одномерного и многомерного ВФ применительно к системе противоположных сигналов для канала с импульсной характеристикой ф = [0,407 0,815 0,407], предложенной в [JI. 1]. Соответствующие характеристики помехоустойчивости представлены на рис. 4.

При этом следует отметить, кривые 2 и 3, соответствующие одномерному случаю, совпадают с аналогичными характеристиками, представленными в [JI. 2], причём кривая 2, соответствующая идеальной ОСР, совпадает с результатами аналитического расчёта. Кривая 5 представляет собой верхнюю аддитивную границу вероятности ошибки при многомерном выравнивании с идеальной ОСР, полученную аналитическим путём.

Кроме того, в данной главе рассматривается процедура демодуляции сигнальных пакетов при использовании метода двунаправленного выравнивания с обратной связью и арбитражным принятием решения. В основе данного метода лежит то, что при выравнивании с ОСР в прямом и обратном направлениях соответствующие шумовые отсчёты на выходе ВФ представляют собой различные, хотя и коррелированные случайные величины. В силу данного обстоятельства значительная часть ошибочных решений, полученных при демодуляции в прямом и обратном направлениях, не совпадают, что подтверждается кривой 3, представленной на рис. 5.

Процедура двунаправленной демодуляции выглядит следующим образом.

Сначала осуществляется демодуляция сигнального пакета в прямом и обратном направлениях, в результате чего формируются соответствующие векторы жёстких

i t Л Л

b и b, а также мягких решений х и х .

Затем проводится последовательное сравнение жёстких решений. Совпадающие решения с высокой степенью достоверности можно считать правильными. В случае несовпадения предварительных решений осуществляется арбитраж.

Особенностью представленных здесь двух арбитражных алгоритмов является то, что они не требуют реконструкции сигнала на входе демодулятора, как это делается в [JI. 2]. Арбитраж между решениями, не совпадающими при демодуляции пакета в прямом и обратном направлениях, осуществляется на основе векторов мягких

v(') vC) Л Л

решений х их, полученных из х и х путём компенсации действия ОСР.

vC)

Векторы х =

v(') v('+i) v('+4 X X ...X

v(') X

vC) v('+l) V('+£*)

x x ...x

включают в себя

отсчёты с выходов прямого и обратного ВФ, взятых на соответствующих арбитраж-

ных интервалах анализа, длина которых определяется исходя из реализационных соображений.

При использовании первого из предложенных арбитражных алгоритмов решение относительно сомнительного СЭ с номером / принимается на основе полного перебора всех сопровождающих СЭ на арбитражных интервалах анализа:

¿0 =

ащтил

т,к, к

Л')

5 -ЦФ.Ф)

|Мо

+ X — ЛУ

¡чад)

(п)

где , ^¿^.Ь^ — векторы отсчётов опорных сигналов, определённые на

соответствующих интервалах анализа; ЬЦ? — вариант амплитуды сомнительного СЭ; Ь'", Ь? векторы амплитуд сопровождающих СЭ на соответствующих интервалах

анализа; к е 1; Л/4"; к е 1; М1мЬ .

Другой подход к процедуре арбитража состоит в том, что в процессе принятия решения рассматриваются только две возможных альтернативы, которые определяются векторами решений о СЭ, полученными при демодуляции в прямом и обратном направлениях:

2 л«

I <

'л(') --('Л г Л') 'л С)

X -ЛУ ь ,ь + X ь ,Ь

V V У

ь 'лС) -С)" 2 v(') 'лС) «('Л

> 5 -*<'> ъ ,ь + Г Т(/) X — \У ' ь ,ь

ч ч /

(12)

л(') л(0

где Ь ФЬ — решения, принятые относительно СЭ с номером /, принятые при

.(/) :(/)

демодуляции в прямом и обратном направлениях, Ь и Ь — соответствующие векторы решений относительно сопровождающих СЭ.

На рис. 5 представлены характеристики помехоустойчивости одно- и двунаправленных демодуляторов с ОСР для канала с импульсной характеристикой <р = [0,227 0,46 0,688 0,46 0,227], предложенной в [Л.1], и использованной также

в [Л.2]. Кривая 2 характеризует помехоустойчивость при выравнивании с ОСР как в прямом, так и в обратном направлениях. При этом следует отметить, что в статистическом смысле указанные характеристики совпадают, однако при демодуляции конкретного сигнального пакета значительная часть ошибочных решений не совпадает, что подтверждается кривой 3. Из сопоставления кривых 4 и 5 следует, что переборный арбитражный алгоритм (11) обеспечивает несколько лучшую помехоустойчи-

вость, чем алгоритм (12), при котором рассматриваются только две возможные аль-

Рис. 5. Характеристики одно- и двунаправленных демодуляторов с ОСР для канала с импульсной характеристикой ф = [0,227 0,46 0,688 0,46 0,227]:

1 — потенциальная кривая; 2 — однонаправленное выравнивание; 3 — кривая совпадающих ошибок; 4 — двунаправленное выравнивание с арбитражем по алгоритму (11); 5 — двунаправленное выравнивание с арбитражем по алгоритму (12).

Наряду с алгоритмом двунаправленного выравнивания в данной главе также рассматривается двунаправленная демодуляция на основе субоптимального алгоритма переборного типа АКН. Показано, что при использовании такого алгоритма помехоустойчивость в существенной мере зависит от варианта комбинации сопровождающих СЭ, следующих за демодулируемым в пределах интервала анализа, что также приводит к слабой корреляции ошибок при демодуляции в прямом и обратном направлениях. Применение относительно несложного энергетического арбитражного алгоритма позволило получить энергетический выигрыш около 1 дБ при рь =10"* по сравнению с однонаправленным демодулятором.

Наряду с алгоритмами демодуляции в данной главе также рассматривается проблема адаптации выравнивающих фильтров при работе в каналах с изменяющимися параметрами.

В третьей главе диссертационной работы рассматриваются алгоритмы декодирования сигнальных последовательностей с решетчатой кодовой модуляцией — РКМ (trellis coded modulation — ТСМ) на основе свёрточных кодов.

В начале главы приведены результаты моделирования системы, включающей в себя ВОСР с мягким выходом, а также мягкий декодер Витерби, функционирующие раздельно. Из представленных результатов следует, что в такой системе имеет место сильно выраженный эффект размножения ошибок. Указанный эффект можно объяснить тем, что в данном случае размножение ошибок идёт не только по сигнальной

решётке, обусловленной МСИ, но и по решётке свёрточного кода. Кроме того, необходимо учесть, что процедура РКМ сопровождается уменьшением евклидова расстояния между точками сигнального созвездия, а также, то, что при раздельной системе демодулятор-декодер цепь ОСР не защищена корректирующим кодом.

С учётом приведённых обстоятельств предложен алгоритм мягкого декодирования РКМ-последовательностей с ОСР по кодовой решётке, в основе которого лежит метод совмещения алгоритма Витерби и выравнивателя с обратной связью по решению (ВОСР). Алгоритм функционирует следующим образом.

С выхода МАСФ вектор отсчётов у подаётся на ВФ, который подавляет пред-действия СЭ, сдвинутых друг относительно друга на целое число тактовых интервалов. При этом вычитание последействий от предыдущих сигнальных элементов на выходе ВФ не осуществляется, а производится позже в процессе мягкого декодирования по кодовой решётке.

На каждом шаге декодирования каждому исходному состоянию кодовой решётки соответствует свой регистр обратной связи по решению РОСР, в котором записан соответствующий вектор оценок амплитуд предшествующих СЭ.

Указанные векторы образуют матрицу регистров обратной связи:

«(,,=0 к2) »<'' =0 ... к?

л = ¿(<-0 ¿('"Ч ¿С-« (13)

л Ь« ¿('-0 . .">=5-1 к2) »"'=5-1 ... кф

где / — номер шага декодирования, — номер предыдущего состояния, которому соответствует данный регистр, 5 — число состояний кодовой решётки.

Для каждого предыдущего состояния на основе соответствующей строки матрицы (13) формируется свой вариант сигнального отсчёта:

(14)

1=1

л

где х® — сигнальный отсчёт с выхода ВФ; Ь (/) — вектор-столбец оценок амплитуд, содержащийся в РОСР состояния ^; = |2 ... — вектор отсчётов последействия единичного СЭ на выходе ВФ,т — символ транспонирования.

На каждом шаге декодирования принимается решение относительно выжившего пути, входящего в каждое из возможных состояний еО;Б—\:

= ащ гшп | О |, (15)

где /• е 0;Я—1 — номер ребра, входящего в состояние .у''11'; Э2т) г — полная евклидова метрика соответствующего пути; Я — общее число рёбер, входящих в каждое из состояний кодовой решётки.

По данному алгоритму также осуществляется принятие решения относительно оценки сигнальной амплитуды для РОС, соответствующего состоянию :

¿''ми = Ь „„, , где р определяется в соответствии с (15).

Дальнейшее улучшение характеристик декодеров сигнальных пакетов с РКМ связано с применением двунаправленного декодирования с последующим арбитражным принятием решения.

Структурная схема соответствующего приёмного устройства приведена на рис. 6. В её состав входят многомерный адаптивный согласованный фильтр МАСФ, прямой и обратный выравнивающие фильтры ПВФ и ОВФ, прямой и обратный мягкие декодеры Витерби с ОСР по кодовой решётке ПМДВ и ОМДВ, блок арбитражного принятия решения БАПР, а также буферная память БП.

Рис. 6. Структурная схема приёмного устройства с двунаправленным декодированием и арбитражным принятием решения.

Процедура декодирования выглядит следующим образом.

На первом этапе осуществляется декодирование сигнального пакета в прямом и обратном направлениях декодером Витерби с ОСР по кодовой решётке, в результате чего фиксируются две последовательности состояний 5 и 5 , характеризующих соответствующие пути по кодовой решётке; а также соответствующие последовательности жёстких 3,5 и мягких х, х решений.

Совпадающие отрезки путей считаются достоверными, и по ним принимаются окончательные решения относительно соответствующих отрезков информационной последовательности, а также относительно соответствующих сигнальных амплитуд.

Для несовпадающих отрезков путей последовательности состояний, через которые проходят выжившие пути по кодовой решётке при декодировании в прямом и обратном направлениях, различны:

о6)

где Д и Ь2 определяют начало и конец несовпадающего отрезка.

Окончательное принятие решения относительно несовпадающих отрезков путей осуществляется в соответствии с арбитражным алгоритмом:

' (1?)

где элементы векторов отсчётов х^ ^ , х^ ^ вычисляются путём компенсации действия ОСР, которая осуществлялась при демодуляции в прямом и обратном направлениях, в соответствии с соотношением (14); Н, Н— статистические гипотезы, соответствующие последовательностям состояний ^ и ^ ) и ^ ) — соответствующие опорные векторы.

Рис. 7. Характеристики помехоустойчивости различных методов декодирования при работе в связи с импульсной характеристикой ф = [0,407 0,815 0,407]:

1 - ФМ-4 без кодирования, потенциальная кривая; 2 - ФМ-4 без кодирования, демодуляция с помощью ВОСР; 3 — раздельная система ВОСР — мягкий декодер Витерби (ФМ-8, свёрточный код, R = 2/3, реальная ОС); 4 — однонаправленное декодирование с ОСР по кодовой решётке; 5 — двунаправленное декодирование с арбитражным принятием решения.

На рис. 7 представлены характеристики некоторых сигнальных систем и методов декодирования для канала с импульсной характеристикой, предложенной в [JI. 1]. Из их анализа следует, что применение мягкого декодирования с ОСР по кодовой решётке (кривая 4) позволяет существенно ослабить негативный эффект размножения ошибок, свойственный раздельной системе ВОСР — мягкий декодер Витерби

(кривая 3). Применение двунаправленного декодирования с арбитражем по алгоритму (17) позволяет получить дополнительное улучшение помехоустойчивости (кривая 5), при этом энергетический выигрыш по отношению к системе ФМ-4 без кодирования при демодуляции на основе ВОСР составляет не менее 3 дБ.

В данной главе также была рассмотрена двухэтапная процедура мягкого декодирования свёрточных кодов при наличии перемежения кодовых символов в каналах с МСИ. На первом этапе данной процедуры с помощью переборного алгоритма с обратной связью по решению (АКН) осуществляется вычисление первичных метрик на локальных интервалах анализа, которые на втором этапе после деперемеже-ния используются мягким декодером Витерби.

Имитационное моделирование предложенного двухэтапного мягкого декодера применительно к обработке «нормальных» пакетов в рамках системы мобильной связи стандарта GSM, показало, что применение такого подхода позволяет приблизиться к потенциальным характеристикам сигнальной системы.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена проблемам обработки сигнальных последовательностей с турбо-решетчатой кодовой модуляцией (ТРКМ) при работе в каналах с МСИ.

В данной главе была рассмотрена процедура декодирования ТРКМ-сигналов, сформированных по системе Робертсона и Вёрца [JI. 3].

Приёмное устройство таких сигналов (рис. 8) включает в себя МАСФ, прямой и обратный выравнивающие фильтры (ОВФ и ПВФ), первый из которых подавляет преддействия, а второй — последействия сигнальных элементов принимаемой последовательности на основе критерия минимума СКО, и буферную память БП.

Рис. 8. Структурная схема приёмника для сигналов с ТРКМ при наличии МСИ.

Сформированные последовательности отсчётов с выходов МАСФ, ПВФ и ОВФ используются турбо-декодером ТД, структурная схема которого представлена на рис. 9. Основу турбо-декодера составляют два посимвольных декодера RSC-кода, работающих по правилу максимума апостериорной вероятности (МАВ), в том числе верхний декодер с обратной связью по кодовой решётке — МАВОСР, а также нижний декодер с турбо-выравниванием МАВТВ. На каждой итерации декодеры работают поочерёдно: сначала верхний декодер, потом нижний декодер.

Задачей верхнего МАВ-декодера является формирование последовательностей априорных вероятностей информационных символов Apr, {D}, априорных вероят-

ностей сигнальных амплитуд Apr, jbj, а также последовательности оценок указанных сигнальных амплитуд Ь,. При этом МАВОСР использует последовательности отсчётов с выходов ПВФ и ОВФ. Необходимо отметить, что ОСР по кодовой решётке предполагает формирование регистров обратной связи для каждого состояния х

Рис. 9. Структурная схема итеративного турбо-декодера для сигналов с ТРКМ.

кодовой решётки. Оценки сигнальных амплитуд для регистров ОСР определяются как апостериорное среднее по всем возможным путям, входящим в соответствующее состояние :

RV> -1

С)

а о =A(') =

fi+li — U Г/+И —

о С)

Z «> • Yrj

где — вероятностные метрики предыдущих состояний, связанных с состояни-

ем .у через ребро с номером г, а у,- вероятностные метрики рёбер кодовой

ешётки, входящих в состояние , вычисленные с учётом действия ОСР.

При обратном проходе оценка амплитуд СЭ для цепи ОСР осуществляется ана-огично.

Далее вычисляется матрица функций правдоподобия рёбер кодовой решётки, лементы которой определяются как произведение ответствующих функций прав-оподобия, полученных при прямом и обратном проходах:

А = №] = [?«], (19)

а основе которых определяются усреднённые вероятностные метрики (апостериор-ые вероятности) рёбер:

Лм)

о С) х

(20)

осле чего осуществляется обычное МАВ-декодирование сигнального пакета (уже ез использования ОСР). При этом формируются последовательности априорных ероятностей информационных символов Apr; {D}, априорных вероятностей сиг-

альных амплитуд Apr, jb}, а также последовательности оценок указанных сиг-

альных амплитуд Ь,.

Первые две из перечисленных выше последовательностей через перемежители 2 и ПЗ соответственно подаются на априорные входы нижнего декодера МАВТВ, последовательность оценок сигнальных амплитуд b с выхода верхнего декодера одаётся на блок подавления межсимвольной интерференции БПМСИ, который, спользуя оценки амплитудных значений принимаемой сигнальной последователь-ости, сформированные верхним декодером, очищает последовательность доста-очных статистик у, поступающую с выхода МАСФ от последействий и преддей-~вий всех сигнальных элементов последовательности. В результате формируется

о

чищенная от МСИ последовательность у, которая подаётся на сигнальный вход ижнего декодера, который функционирует как обычный МАВ-декодер ТРКМ-оследовательностей при отсутствии МСИ [Л. 3].

В начале следующей итерации нижний декодер передаёт верхнему декодеру приорную (внешнюю) информацию об информационных символах и сигнальных

амплитудах (последовательности априорных вероятностей Арг2 | и Арг2 |).

Указанные последовательности вероятностей соответственно через деперемежители ДП1 и ДП2 подаются на априорные входы верхнего декодера, который функционирует так, как это описано выше. Необходимо отметить, что, начиная со второй итерации, оценки сигнальных амплитуд для цепи ОСР по кодовой решётке осуществляются с учётом априорных сведений, поступивших с нижнего МАВ-декодера.

Для сравнительного анализа качественных показателей представленного выше турбо-декодера в диссертационной работе также приведены характеристики классического турбо-выравнивателя с подавлением МСИ [Л. 4].

SNR dB

Рис. 10. Вероятностные характеристики различных методов декодирования в двухлучевом канале с лучами равной интенсивности ( у, = у2 = 1, т = 1.57\ систем ФМ-4, турбо-код с относительной скоростью R = 1/2 на основе RSC - кода (7,5) удельная скорость модуляции v = 2 % Бод/Гц): 1 — для предложенного турбо декодера (рис. 10); 2 — для классического турбо-выравнивателя на основе JIB.

Турбо-выравниватель подобного типа на первой итерации использует последо вательность отсчётов с выхода двустороннего линейного выравнивателя (JIB). Н последующих шагах итерационного процесса используется рассмотренная выш процедура турбо-выравнивания с подавлением МСИ с обменом априорной инфор мацией о сигнальных амплитудах, а также значениями оценок указанных сигналь ных амплитуд.

Из материалов данной главы следует, что при умеренной МСИ характеристик предложенного турбо-декодера (рис. 9) и турбо-выравнивателя с подавлением МС практически идентичны. С другой стороны, при более существенной МСИ преиму щество предложенного декодера становится более ощутимым. В качестве пример

на рис. 10 приведены характеристики турбо-декодеров обоего типа применительно к двухлучевому каналу при повышенной удельной скорости модуляции.

Представленные характеристики качества указывают на перспективность применения предложенного турбо-декодера при работе в каналах с сильно выраженной МСИ различной физической природы.

В пятой главе диссертационной работы рассматриваются проблемы передачи дискретных сообщений по каналам с ограниченной полосой пропускания с повышенной удельной скоростью модуляции, превышающей т.н. скорость Найквиста. Здесь следует отметить, что традиционный метод увеличения информационной скорости состоит в применении сигнальных конструкций с увеличенной позиционностью. Такой подход, с одной стороны, приводит к логарифмическому росту скорости передачи информации, но, с другой стороны, приводит к уменьшению минимального евклидова расстояния между точками сигнального созвездия, что снижает помехоустойчивость телекоммуникационной системы.

Альтернативный метод повышения информационной скорости состоит в увеличении скорости модуляции, т.е. в уменьшении тактового интервала Т. Такой подход, в свою очередь, приводит к росту как средней, так и пиковой мощности, а также к возникновению МСИ, которая способствует ухудшению различимости различных вариантов сигнальных последовательностей.

Оптимальный подход состоит в определении наилучшего соотношения между позиционностью сигнальной системы и скоростью модуляции.

В этом плане в данной главе было дано следующее определение:

Малопозиционными системами сигналов мы будем называть такие системы, при использовании которых для получения заданной удельной скорости передачи информации р требуется повышенная, по сравнению с

найквистовской, удельная скорость модуляции V при меньшей позиционности сигнальной системы М.

Иными словами, для малопозиционных систем справедливо соотношение:

р

М < 2У" , где р — удельная скорость передачи информации, = 2 Бод/Гц — удельная скорость модуляции Найквиста.

В различных публикациях была показана принципиальная возможность передачи «быстрее Найквиста», например, в [Л.5]. В представленной диссертационной работе исследуется не только возможность, но и целесообразность применения малопозиционных сигналов в телекоммуникационных системах.

Основной задачей данной главы является сравнительный анализ дистанционных и вероятностных характеристик качества малопозиционных сигнальных конструкций при различных значениях удельной скорости модуляции, и, как следствие, при различной степени интенсивности сопутствующей МСИ.

На рис. 11 представлены две зависимости нормированной дистанционной характеристики с12 от удельной скорости модуляции V для двоичной системы противоположных сигналов, соответствующие различным характерам спада спектра АКФ

относительно точки / = . Отметим, что характеристика 1, соответствующая идеальному ФНЧ, повторяет известный результат, представленный в работе Мазо [Л. 5], что позволяет сопоставить полученные результаты.

1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

V

Рис. 11. Зависимость нормированной дистанционной характеристики с12 от удельной скорости модуляции V (Бод/Гц) применительно к двоичной системе противоположных сигналов при длине сигнальной последовательности 1 = 14: 1 — для импульса с прямоугольным спектром; 2 — для импульса с косинусоидальным спадом спектра (при полосе спада 2-А/г = Р).

На рис. 12 приведены зависимости дистанционной характеристики от величины р для различных вариантов последовательностей видеоимпульсов, модулированных по амплитуде при фиксированной средней мощности сигнальной последовательности. Анализ представленных характеристик позволяет сделать вывод о том, что двоичная система противоположных сигналов обладает преимуществом в полосе значений удельной скорости передачи информации от р = 2 (бит/с)/Гц до р = 3.5 (бит/с)/Гц.

При значениях р от 3.5 (бит/с)/Гцдо 5.1 бит/с • Гц является предпочтительной трёхуровневая АМ, а при удельной скорости передачи информации более 5.1 (бит/с)/Гц наилучшей помехоустойчивостью обладает четырёхуровневая система сигналов.

В данной главе показано, что при 2 Бод/Гц < V < 3,5 Бод/Гц передача дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции не только возможна, но и целесообразна, поскольку позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышенной помехоустойчивостью.

о -2 -4 -6

ш

тз

С! Ь

-в -10 -12

"142 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Б5

Р

Рис. 12. Зависимости нормированной дистанционной характеристики (¡1 от удельной скорости передачи информации р (бит/с)/ Гц при фиксированной средней мощности сигнальной последовательности длины Ь = 14:

1 — для двоичной системы противоположных сигналов; 2 — для трёхуровневой АМ; 3 — для четырёхуровневой АМ.

Этот тезис подтверждён не только для последовательностей видеоимпульсов, модулированных по амплитуде, но и для двухполосных сигнальных последовательностей с фазовой и квадратурной модуляцией, а также для последовательностей с турбо-решетчатой кодовой модуляцией.

В заключении приведены итоговые результаты диссертационной работы:

• проведён анализ ряда известных демодуляторов, предназначенных для работы в каналах с МСИ, в том числе субоптимальных демодуляторов переборного типа, а

акже демодуляторов, в основе которых лежат методы линейной коррекции;

• предложен ряд алгоритмов демодуляции для каналов с МСИ, в том числе вухэтапный демодулятор на основе многомерного выравнивателя, двунаправленный демодулятор на основе ВОСР и двунаправленный демодулятор на основе АКН;

• для сигнальных последовательностей с решетчатой кодовой модуляцией редложен двунаправленный алгоритм мягкого декодирования с ОСР по кодовой ешётке и последующим арбитражем, а также алгоритм мягкого декодирования, редназначенный для телекоммуникационных систем со свёрточным кодированием

перемежением символов, предполагающий на первом этапе вычисление с поморю АКН первичных метрик на локальных интервалах анализа, и осуществляющий а втором этапе мягкое декодирование по Витерби;

• предложена процедура декодирования ТРКМ последовательностей при работе каналах с МСИ. В основе данной процедуры лежит двунаправленное выравнива-

ние с ОСР по кодовой решётке, а также использование турбо-выравнивания с подавлением МСИ;

• показано, что передача дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции не только возможна, но и целесообразна, поскольку позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышенной помехоустойчивостью.

Публикации. Список публикаций по теме диссертации включает 82 наименования, в том числе:

15 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Хабаров, Е. О. Улучшение помехоустойчивости выравнивателя с обратной связью по решению за счёт двунаправленной демодуляции сигнальной последовательности [Текст] / Е. О. Хабаров // Инфокоммуникационные технологии. — 2006. — Т. 4, № 1. — С. 63 -68.

2. Хабаров, Е. О. Выравниватель с обратной связью по решению, многомерным выходом и последующей субоптимальной обработкой [Текст] / Е. О. Хабаров // Успехи современной радиоэлектроники. — 2006. — № 5. — С. 5 —16.

3.Хабаров, Е. О. Анализ характеристик двунаправленного выравнивателя с обратной связью по решению при работе в каналах с МСИ [Текст] / Е. О. Хабаров // Электросвязь. - 2006. - № 12. - С. 24 - 27.

4. Хабаров, Е. О. Выравнивание с обратной связью по решению в многолучевом канале с замираниями при повышенной удельной скорости модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // Радиотехника. - 2006. - № 12. - С. 22 -29.

5. Хабаров, Е. О. Проблемы мягкого декодирования свёрточных кодов при перемежении символов для каналов с межсимвольной интерференцией [Текст] / Е. О. Хабаров // Успехи современной радиоэлектроники. — 2007. — № 4. — С. 46 —50.

6. Хабаров, Е. О. Особенности двунаправленного выравнивания с решающей обратной связью и арбитражным принятием решения [Текст] / Е. О. Хабаров // Успехи современной радиоэлектроники. - 2007. — № 6. — С. 43 -50.

7. Хабаров, Е. О. Двунаправленная демодуляция сигнальных пакетов при использовании переборного алгоритма в каналах с МСИ [Текст] / Е. О. Хабаров // Электросвязь. - 2008. - № 2. - С. 40 - 44.

8. Хабаров, Е. О. Сравнительный анализ некоторых алгоритмов демодуляции в каналах с межсимвольной интерференцией [Текст] / Е. О. Хабаров // Инфокоммуникационные технологии. — 2008. — Т. 6, № 1. — С. 19 —23.

9. Хабаров, Е.О. Анализ влияния обратной связи по решению при обработке сигналов в каналах с межсимвольной интерференцией на ограниченном интервале анализа [Текст] / А. А. Малютин, Е. О. Хабаров // Инфокоммуникационные технологии. - 2008.-Т. 6 № 1.- С. 44 -49.

10. Хабаров, Е. О. Анализ характеристик ряда алгоритмов демодуляции в каналах с межсимвольной интерференцией [Текст] / Е. О. Хабаров // Электросвязь. — 2008,-№5.-С. 50-54.

П.Хабаров, Е.О. Анализ характеристик качества сигнальных конструкций при передаче дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции

[Текст] / Е. О. Хабаров // Успехи современной радиоэлектроники. — 2008. — № 8. — С. 78-87.

12. Декодирование свёрточных кодов на выходе канала с МСИ с использованием выравнивателя с обратной связью по решению и мягкого декодера Витерби [Текст] / Е. О. Хабаров, С. В. Левин, О. А. Петров, С. Ю. Шалковский // Инфоком-муникационные технологии. — 2009. — Т. 7, № 4. — С. 28 —32.

13. Хабаров, Е. О. Алгоритм турбо-декодирования сигналов с ТРКМ в каналах с МСИ [Текст] / Е. О. Хабаров, Е. В. Максимов // Инфокоммуникационные технологии, - 2012.-Т. 10,№2,- С. 29-33.

14. Хабаров, Е. О. МАВ-декодер сигналов с ТРКМ с использованием двунаправленного выравнивания [Текст] / Е. О. Хабаров, Я. Э. Фомченко II Инфокоммуникационные технологии, — 2012, —Т. 10, №2,— С. 34—39.

Хабаров, Е. О. Передача дискретных сигнальных последовательностей со скоростью модуляции, превышающей скорость Найквиста [Текст] / Е. О. Хабаров // Электросвязь. - 2012. - № 11. - С. 43 - 47.

Основные публикации в других изданиях:

15. Хабаров, Е. О. Методы построения последовательных систем передачи дискретной информации [Текст] / Е. О. Хабаров // Всесоюз. НТК «Проблемы космической радиосвязи» : тез. докл. — М.: Сов. радио, 1979. — С. 13.

16. Хабаров, Е. О. Оценка помехоустойчивости последовательной системы передачи двоичных сигналов со скоростью, превышающей скорость Найквиста [Текст] / Е. О. Хабаров // Теория передачи информации по каналам связи : сб. ТУ-ИС.-Л., 1981.-С. 142-148.

17. Беляев, С. Н. К вопросу о передаче сообщений двоичными сигналами со скоростью, превышающей скорость Найквиста [Текст] / С. Н. Беляев, А. А. Обухов, Е. О. Хабаров // VIII Всесоюз. конф. по теории кодирования и передаче информации : тез. докл. Ч. 5.-Москва ; Куйбышев, 1981.-С. 17-21.

18. Беляев, С. Н. К вопросу о повышении скорости передачи сообщений по каналам с ограниченной полосой пропускания / С. Н. Беляев, Е. О. Хабаров // XXXVI Всесоюз. научная сессия, посвящ. Дню радио : тез. докл. Ч. 3. — М., 1981. — С. 91.

19. Беляев, С. Н. О помехоустойчивости двоичной системы противоположных сигналов при скорости передачи, превышающей скорость Найквиста [Текст] / С. Н. Беляев, Е. О. Хабаров // Теория передачи информации по каналам связи : сб. ТУИС. - Л., 1982. - С. 63-67.

20. Кловский, Д. Д. О реализации алгоритма субоптимального приёма при скорости передачи, превышающей скорость Найквиста [Текст] / Д. Д. Кловский, Е. О. Хабаров // VIII симпозиум по проблеме избыточности в информ. системах : тез. докл.-Л., 1983.-С. 35-37.

21. Хабаров, Е. О. О повышении помехоустойчивости двоичной системы связи с противоположными сигналами при удельной скорости передачи порядка 4 Бод/ Гц [Текст] / Е. О. Хабаров // Всесоюз. НТК «Проблемы развития космической связи» : тез. докл. — М.: Радио и связь, 1983. — С. 64.

22. Устройство для демодуляции двоичных сигналов [Текст] : а. с. Na 1085012/Г. В. Кирюшин, Е. О. Хабаров, А. Ю. Шерман (СССР). - опубл. 08.12.83.

23. Устройство для демодуляции двоичных сигналов [Текст] : а. с. № 1124446 / С. Н. Беляев, В. Н. Варыгин, А. А. Обухов, Е. О. Хабаров (СССР). -опубл. 15.07.84.

24. Кловский, Д. Д. Алгоритмы субоптимальной обработки малопозиционных сигналов при высокой удельной скорости передачи [Текст] / Д. Д. Кловский, Е. О. Хабаров // Всесоюз. НТК «Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов»: тез. докл. — Киев : КНИГА, 1985. — С. 67 — 68.

25. Хабаров, Е. О. Оптимизация числа уровней при передаче дискретных сообщений с высокой удельной скоростью при помощи синхронной последовательности видеоимпульсов [Текст] / Е. О. Хабаров // Адаптивные системы связи : сб. ТУ-ИС.-Л., 1989.-С. 55-63.

26. Устройство для приёма двоичных сообщений в канале с межсимвольной интерференцией [Текст] : а. с. №1819106 Н04Ь / В. Г. Карташевский, Д. Д. Кловский, А. А. Обухов, Е. О. Хабаров (СССР). - опубл. 22.11.90.

27. Хабаров, Е. О. О декодировании сигнально-кодовых конструкций в каналах связи с МСИ и перемежением символов [Текст] / Е. О. Хабаров // Обработка сигналов в системах связи : сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи. — СПб. - 1995. - № 160. -С. 127-131.

28. Кловский, Д. Д. Метод мягкого декодирования сигнально - кодовых конструкций в каналах связи с МСИ и перемежением символов [Текст] / Д. Д. Кловский, Е. О. Хабаров И Ы науч. сессия НТОРЭС, посвящ. Дню Радио : тез. докл. — М., 1996.-С. 147-150.

29. Хабаров, Е. О. Модем для радиоканала многолучевым распространением [Текст] / Е. О. Хабаров, М. А. Хусаинов, С. Т. Юртаев // Вторая междунар. науч. — техн. конф. «Микроэлектроника и информатика» : тез. докл. — М., 1995. — С. —77.

30. Последовательный одноканальный модем для декаметрового диапазона [Текст] / Д. Д. Кловский, Б. И. Николаев, Е. О. Хабаров, М. А. Хусаинов // ЬП науч. сессия НТОРЭС, посвящ. Дню Радио : тез. докл. - М., 1997. - С. 91 - 93.

31. Семенов, А. В. Расчёт помехоустойчивости последовательных систем передачи сигналов фазовой модуляции при свёрточном кодировании в многолучевом радиоканале [Текст] / А. В. Семёнов, Е. О. Хабаров // Информатика, радиотехника и связь : сб. тр. учёных Поволжья. Вып. 3. — Самара, 1996. — С. 88-92.

32. Хабаров, Е. О. Анализ характеристик качества и синтез субоптимальных алгоритмов обработки сигналов при последовательной передаче дискретных сообщений по каналам с межсимвольной интерференцией [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Е. О. Хабаров. - Самара, 1998. - 197 с.

33. Эффективный КВ модем для передачи дискретных сообщений с алгоритмом Кловского — Николаева [Текст] / Ю. В. Алышев, Д. Д. Кловский, Б. И. Николаев, Е. О. Хабаров // Тр. ВМК по системам, кибернетике и информатике. Т. VII, ч. 1. - Орландо ; Флорида, США, (23-26), VII, 2000. - С. 518-522.

34. Хабаров, Е. О. Совместное использование переборных и непереборных методов при демодуляции дискретных сигналов с межсимвольной интерференцией [Текст] / Е. О. Хабаров // VIМНТК «Радиолокация, навигация и связь» : докл. Т. 2. — Воронеж, 2000.-С. 88-92.

35. Упрощённые алгоритмы демодуляции цифровых сигналов в пространственно-временных каналах с межсимвольной интерференцией и аддитивным белым гуссовским шумом [Текст] / Ю. В. Алышев, Д. Д. Кловский, Б. И. Николаев, Е. О. Хабаров // VII МНТК «Радиолокация, навигация и связь» : докл. Т. 2. - Воронеж, 2001.-С. 88-92.

36. Хабаров, Е. О. Субоптимальный выравниватель с обратной связью, максимизирующий отношение сигнал/помеха [Текст] / Е. О. Хабаров // ЬУШ науч. сессия НТОРЭС, посвящ. Дню Радио : тез. докл. Т. 2. - М., 2003. - С. 73-75.

37. Хабаров, Е. О. Выравнивание с обратной связью в каналах с многолучевым распространением и повышенной удельной скоростью модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // ЬУШ науч. сессия НТОРЭС, посвящ. Дню Радио : тез. докл. Т. 2. - М., 2003.-С. 173-176.

38. Хабаров, Е. О. Демодуляция в каналах с межсимвольной интерференцией путём выравнивания с последующей субоптимальной обработкой и обратной связью [Текст] / Е. О. Хабаров // X МНТК «Радиолокация, навигация и связь»: докл. Т. 2. - Воронеж, 2004. - С. 88-93.

39. Борисенков, А. В. Итеративная процедура мягкого декодирования в системах связи с перемежением символов и межсимвольной интерференцией [Текст] / А. В. Борисенков, Б. И. Николаев, Е. О. Хабаров // X МНТК «Радиолокация, навигация и связь»: докл. Т. 2. — Воронеж, 2004. — С. 86-87.

40. Хабаров, Е. О. Факторизация функции правдоподобия при мягком декодировании в системах связи с перемежением символов и межсимвольной интерференцией [Текст] / Е. О. Хабаров // Пятый Всерос. симп. по прикладной и промышленной математике ОП и ПМ. Т. 11, вып. 2. - М., 2004. - С. 173-175. 419-420.

41. Хабаров, Е. О. Совместное использование линейного выравнивателя с обратной связью и переборного алгоритма при обработке сигналов в каналах с МСИ [Текст] / Е.О. Хабаров // III Междунар. НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» : тез. докл. — Волгоград, 2004. — С. 35.

42. Хабаров Е. О. Выравнивание с обратной связью при повышенной удельной скорости модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // V МНТК «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» : тез. докл. — Самара, 2004. — С. 29 — 31.

43. Хабаров Е.О. Проблемы адаптации выравнивателя обратной связью по решению в каналах с многолучевым распространением и изменяющимися параметрами [Текст] / Е. О. Хабаров // XI МНТК «Радиолокация, навигация и связь» : докл. Т. 2.-Воронеж, 2005.-С. 186-187.

44. Хабаров Е. О. О возможности передачи дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // V Междунар. НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» : тез. докл. — Самара, 2006. - С. 85.

45. Петров, О. А. Линейный выравниватель с обратной связью по решению и многомерным выходом [Текст] / О. А. Петров, Е. О. Хабаров // V Междунар. НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» : тез. докл. — Самара, 2006.-С. 86.

46. Хабаров, Е. О. Анализ дистанционных характеристик сигнальных последовательностей при повышенной удельной скорости модуляции [Текст] / Е. О. Ха-

баров // VI Междунар. НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» : тез. докл. — Казань, 2007. — С. 57.

47. Хабаров, Е. О. Некоторые вопросы передачи дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // XV МНТК «Радиолокация, навигация и связь» : докл. Т. 2. — Воронеж, 2009. — С. 111-119.

Список литературы, упоминаемой в автореферате:

JI.1. Proakis J.G. Digital Communications. Fourth edition, New York: McGraw-Hill. -2001.-P. 798.

Л.2. Nelson J. K., Singer A. C., Madhow U., McGahey C. S. "BAD: Bidirectional Arbitrated Decision-Feedback Equalization." // IEEE Transactions on Communications, vol. 53, No. 2, February 2005. P. 214-218.

Л.З. Robertson, P. and T. Worz T. Bandwidth-Efficient Turbo-Trellis-Coded Modulation Using Punctured Component Codes // IEEE Journal on Selected Areas in Communications.-V. 16, NO 2,-February 1998.-P. 206-218.

Л.4.1. Marsland. An Introduction to Turbo Equalization. // BCWS Seminar Series. -March 12, 2001.

Л.5. Mazo J.E. Faster - than Nyquist-Signaling.-The B.S.T.J., New-York, USA: 1975, p. 1451 -1462.

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и

информатики» 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого 23

Подписано в печать «23» июля 2013 г. Формат бумаги 60><8 4/16 Бумага офсетная Nol. Гарнитура тайме. Заказ № 1511. Печать оперативная. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз.,

Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и

информатики 443090, г. Самара, Московское шоссе 77. т. (846) 228-00-44

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ФГОБУ ВПОПГУТИ)

овшзшм ш'иж'"'

Хабаров Евгений Оттович /

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛЬНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ С МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научные консультанты: -заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор

Кловский Даниил Давидович

(ФГОБУ ВПО ПГУТИ, г. Самара);

-доктор технических наук, профессор Николаев Борис Иванович

(ФГОБУ ВПО ПГУТИ, г. Самара).

САМАРА - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6

ВВЕДЕНИЕ 7

Глава 1. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛЬНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ С МСИ И АДДИТИВНЫМ ШУМОМ 21

1.1 Предварительные замечания 21

1.2 Модель канала связи с МСИ, обусловленной многолучевым распространением сигнала и ограничением полосы занимаемых частот 24

1.3 Расширенная модель канала связи с многолучевым распространением сигнала и ограничением полосы занимаемых частот 29

1.4 Краткий обзор методов демодуляции в каналах с МСИ 32

1.4.1 Оптимальные и субоптимальные демодуляторы на основе правила максимального правдоподобия 32

1.4.2 Демодуляторы для каналов с МСИ, основанные на методах линейной коррекции 37

1.5 Вероятностные и дистанционные характеристики качества демодуляторов, предназначенных для работы в каналах с МСИ 47

1.5.1 Характеристики качества демодуляторов переборного типа 47

1.5.2 Характеристики качества демодуляторов на основе линейных выравнивателей 54

1.6 Сравнительный анализ помехоустойчивости некоторых типов демодуляторов при наличии МСИ 59

1.6.1 Влияние обратной связи по решению 59

1.6.2 Сравнение характеристик некоторых демодуляторов для каналов с межсимвольной интерференцией 68 1.7 Выводы по первой главе 75

Глава 2. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ

ДЕМОДУЛЯТОРОВ С ОСР ПРИ НАЛИЧИИ МСИ 77

2.1 Предварительные замечания 77

2.2 Выравниватель с обратной связью по решению, многомерным выходом и последующей субоптимальной обработкой 80

2.2.1 Двухэтапная демодуляция сигнальной последовательности

при ограниченной длине сигнального пакета 80

2.2.2 Анализ характеристик помехоустойчивости при обработке сигнальных последовательностей ограниченной длины 87

2.2.3 Двухэтапная демодуляция сигнальной последовательности неограниченной длины 96

2.2.4 Анализ характеристик помехоустойчивости при обработке сигнальных последовательностей неограниченной длины 104

2.3 Улучшение помехоустойчивости выравнивателя с обратной связью по решению за счёт двунаправленной демодуляции сигнальной последовательности 111

2.3.1 Предварительные замечания 111

2.3.2 Метод двунаправленного выравнивания с ОСР 112

2.3.3 Арбитраж при двунаправленном выравнивании 120

2.4 Проблема адаптации выравнивающих фильтров при работе в каналах с быстро изменяющимися параметрами 134

2.5 Двунаправленная демодуляция сигнальных пакетов при использовании переборного алгоритма в каналах с МСИ 140

2.5.1 Особенности двунаправленной демодуляции сигнальных пакетов при использовании демодулятора переборного типа 140

2.5.2 Арбитражный алгоритм 143

2.5.3 Характеристики качества 147

2.6 Выводы по второй главе 151

Глава 3. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ДЕКОДИРОВАНИЯ СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ СВЁРТОЧНЫХ КОДОВ В КАНАЛАХ С МСИ 153

3.1 Предварительные замечания 153

3.2 Декодирование свёрточных кодов на выходе канала с МСИ

с использованием мягкого декодера Витерби с обратной связью по кодовой решётке 154

3.2.1 Краткий анализ состояния проблемы 154

3.2.2 Мягкий декодер Витерби с ОСР по кодовой решётке 161

3.3 Двунаправленное мягкое декодирование с арбитражным принятием решения 171

3.4 Процедура мягкого декодирования свёрточных кодов при наличии перемежения символов в каналах с МСИ 176

3.4.1 Постановка задачи 176

3.4.2 Вывод алгоритма 178

3.5 Выводы к третьей главе 182 Глава 4. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ДЕКОДИРОВАНИЯ СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ТУРБО-КОДОВ В КАНАЛАХ С МСИ 184

4.1 Предварительные замечания 184

4.2 Процедура турбо-декодирования сигнальных последовательностей с ТРКМ в каналах с МСИ 188

4.3 МАВ - алгоритм декодирования СКК с ТРКМ в каналах с МСИ совместно с двунаправленным выравниванием с ОСР 196

4.3.1. Предварительные замечания 196

4.3.2 Процедура вычисления прямых вероятностных метрик состояний и рёбер кодовой решётки 198

4.3.3. Процедура вычисления обратных вероятностных метрик состояний и рёбер кодовой решётки 209

4.3.4. Процедура вычисления усреднённых вероятностных метрик состояний и рёбер кодовой решётки 212

4.3.5. Вычисление оценок сигнальных амплитуд и формирование соответствующей матрицы априорных вероятностей для передачи в другой МАВ-декодер 218

4.4 Характеристики качества турбо-декодера сигналов ТРКМ на основе МАВ-декодера с ОСР по кодовой решётке. 221

4.5 Выводы по четвёртой главе 227 Глава 5. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛЬНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ УДЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ МОДУЛЯЦИИ 229

5.1. Предварительные замечания 229

5.2 Краткая историческая справка 234

5.3 Дистанционные характеристики качества сигнальных последовательностей видеоимпульсов при повышенной удельной скорости модуляции 237

5.4 Сравнительный анализ дистанционных характеристик качества некоторых малопозиционных сигнальных конструкций 241

5.4.1 Дистанционные характеристики последовательностей видеоимпульсов, модулированных по амплитуде 241

5.4.2 Вероятностные характеристики малопозиционных последовательностей видеоимпульсов, модулированных по амплитуде 252

5.5 Дистанционные характеристики некоторых сигнальных последовательностей с двухполосной модуляцией 257

5.6 Применение малопозиционных сигналов в системах связи с турбо-решетчатой кодовой модуляцией 267

5.7 Пример сигнально-кодовой конструкции для модема с информационной скоростью 9,6 кбит/с, предназначенного для работы в каналах с изменяющимися параметрами 269

5.8 Выводы по пятой главе 277 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 279 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 283

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АВ - алгоритм Витерби

АКН - алгоритм Кловского-Николаева

БПМСИ - блок подавления МСИ

ВОСР - выравнивание с обратной связью по решению

ВФ - выравнивающий фильтр

БИХ - бесконечная импульсная характеристика

ДКМВ - декаметровые волны

КИХ - конечная импульсная характеристика

КС - канал связи

J1B - линейный выравниватель

М - мультиплексор

МАВ - максимум апостериорной вероятности

МАВОСР - МАВ-декодер с ОСР по кодовой решётке

МАВТВ - МАВ-декодер с турбо-выравниванием

МАСФ — многомерный адаптивный согласованный фильтр

МСИ - межсимвольная интерференция

ОВФ - обратный выравнивающий фильтр

ОСР - обратная связь по решению

ПЦППР - приём в целом с поэлементным принятием решения

ПВФ - прямой выравнивающий фильтр

РКМ - решетчатая кодовая модуляция

СКК - сигнально - кодовая конструкция

СФ - согласованный фильтр

СЭ - сигнальный элемент

ТРКМ - турбо-решетчатая кодовая модуляция

П - перемежитель

П 1 - деперемежитель

RSC - recursive systematic convolutional

(рекурсивный систематический свёрточный)

ВВЕДЕНИЕ

Представленная диссертационная работа лежит в русле исследований и разработок, которые проводились на кафедре Теоретических основ радиотехники и связи (ранее кафедра Теории передачи сигналов) под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н. проф. Д.Д. Кловского.

В процессе своей работы автор опирался на труды Д.Д. Кловского [1], Б.И. Николаева [2], В.Г. Карташевского [3], С. М. Широкова [4], Д. В. Мишина [5], Ю.В. Алышева [6], A.B. Борисенкова [7], A.M. Чингаевой [8], и др., которые в разное время принимали участие в указанных исследованиях.

Кроме того, в этом плане необходимо отметить работы отечественных учёных, таких как С.С. Бек [14], Н.Е.Кириллов [16], П. Я. Нудельман [15], A.A. Парамонов [17], Ю.А. Тамм [19], Н.П. Хворостенко[9,10,11], H.A. Цикин [12, 13], М.Н. Чесноков [18], и др.

Из зарубежных публикаций следует отметить таких учёных как D.W. Tufts [20], G. Ungerboeck [21,22], J. Proakis[35], Kobayashi [24], G. D. Forney [27, 28], A. J. Viterbi [33], C. Berrou [82], A. Glavieux [82], P. Robertson [86], T. Wörz [88], J.E. Mazo [40] и др.

Предлагаемая диссертационная работа посвящена проблемам обработки сигнальных последовательностей на выходе каналов с межсимвольной интерференцией (МСИ), под которой понимается перекрытие во времени элементов сигнальной последовательности, что приводит к нарушению их взаимной ортогональности.

Наиболее распространёнными причинами этого явления могут быть:

• многолучевое прохождение сигнала в среде распространения;

• неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), в том числе ограничение полосы пропускания канала связи величиной, меньшей т.н. полосы Найквиста.

К каналам с многолучевым распространением следует отнести радиоканалы коротковолнового (декаметрового) диапазона, каналы мобильной связи, тропосферные линии связи, каналы космической связи при малых углах места и т.д.

Проблемы распространения сигналов в каналах такого типа достаточно широко освещены в различных публикациях [1, 2, 4,42,43, 44, 45, 46, 47,48, 49, 50,] и не требуют специального рассмотрения в рамках данной диссертационной работы.

Особенностью таких каналов является наличие замираний, и, как следствие, изменение во времени его параметров, в том числе отклика канала на единичный сигнальный элемент (СЭ). В настоящее время разработаны различные методы оценивания параметров канала на приёмной стороне. При этом оценивание реакции канала на единичный СЭ может осуществляться как по рабочим (информационным) сигнальным элементам, так и по специальным тестовым (испытательным) сигналам [2, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59]. Как показывают теоретические исследования, а также лабораторные и линейные испытания [60, 61, 62, 63], приведённые методы оценивания реакции канала обеспечивают высокую точность и быстродействие даже при работе в условиях декаметрового канала, для которого характерны быстрые изменения параметров во времени.

Это обстоятельство дает основание осуществлять анализ помехоустойчивости предлагаемых алгоритмов в предположении, что канал связи обладает свойством локальной стационарности [1, 2], а его параметры, в том числе реакция канала на единичный СЭ известны на приёмной стороне.

Актуальность темы исследования. Данная диссертационная работа посвящена проблемам передачи дискретной информации последовательным (од-ноканальным) методом по каналам с МСИ, вызванной различными физическими причинами.

Последовательные методы передачи дискретных сообщений всегда привлекали внимание разработчиков телекоммуникационных систем, предназначенных для работы в каналах с временным рассеянием и многолучевым распространением [1, 2, 3, 19, 64, 65]. Несомненными достоинствами подобных систем являются устойчивость к селективным по частоте замираниям, независимый характер замираний сигналов отдельных лучей, а также хороший пик-фактор, позволяющий эффективно использовать возможности передающей аппаратуры [1, 2, 66].

Основной причиной, затрудняющей широкое ,внедрение таких методов передачи в телекоммуникационных системах различного типа, является характерное для них явление МСИ, которая существенно осложняет обработку принимаемых сигналов в подобных системах.

Несмотря на то, что оптимальные и субоптимальные алгоритмы демодуляции сигнальных последовательностей при наличии МСИ разработаны достаточно давно [1, 2, 21, 31, 67], до начала 90-х годов прошлого века их реализация была затруднена по причине отсутствия соответствующей элементной базы. Тем не менее, последовательные методы передачи по каналам с рассеянием были использованы в некоторых разработках [68, 69, 70, 71, 72, 73] и стандартах [74, 75, 76] КВ-модемов, а также в системах мобильной связи стандарта GSM [77, 78].

Другим существенным фактором, ограничивающим применение однока-нальных методов передачи, являются трудности, возникающие в каналах с МСИ, при реализации новейших методов помехоустойчивого кодирования.

В этом плане особенно следует отметить методы формирования и декодирования сигналов с турбо-решетчатой кодовой модуляцией - ТРКМ (turbo-trellis-coded modulation -ТТСМ) [85, 86, 87], основой которых послужили разработанные ранее системы с решетчатой кодовой модуляцией (РКМ) на основе свёрточных кодов [22, 88, 89, 90].

Одной из основных задач, решаемых в данной диссертационной работе, является разработка методов декодирования сигнальных последовательностей с РКМ и ТРКМ при наличии МСИ в канале связи.

С учётом приведённых выше соображений такая постановка задачи является актуальной.

Другой важной задачей данной диссертационной работы является исследование возможности и целесообразности передачи дискретных сообщений по каналам с ограниченной полосой пропускания при повышенной удельной скоростью модуляции, превышающей т.н. скорость Найквиста [20, 39, 40].

Традиционный метод увеличения информационной скорости при передаче дискретных сообщений состоит в применении сигнальных конструкций с увеличенной позиционностью. Такой подход, с одной стороны, приводит к логарифмическому росту скорости передачи информации, но, с другой стороны, приводит к уменьшению минимального евклидова расстояния между точками сигнального созвездия, что снижает помехоустойчивость телекоммуникационной системы.

Альтернативный метод повышения информационной скорости состоит в увеличении скорости модуляции, т.е. в уменьшении тактового интервала. Такой подход, в свою очередь, приводит к росту как средней, так и пиковой мощности, а также к возникновению МСИ, которая способствует ухудшению различимости различных вариантов сигнальных последовательностей.

Оптимальный подход состоит в определении наилучшего соотношения между позиционностью сигнальной системы и скоростью модуляции [91]. Из материалов данной диссертационной работы следует, что при работе в каналах с ограниченной полосой такой подход позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышенной помехоустойчивостью, что, безусловно, является актуальной задачей.

Актуальность такой постановки задачи косвенно подтверждается рядом новейших зарубежных публикаций, например [92, 93].

Объект исследования. Объектом исследования данной диссертационной работы являются последовательные (одноканальные) системы передачи дискретных сообщений по каналам с МСИ, обусловленной различными физическими факторами.

Цели и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является разработка и исследование эффективных методов обработки сигнальных и сиг-нально-кодовых конструкций при работе в каналах с МСИ различного типа применительно к последовательным (одноканальным) системам связи.

Задачами диссертационной работы являются:

• анализ существующих методов обработки сигнальных последовательностей при наличии МСИ;

• разработка и исследование методов улучшения характеристик демодуляторов при работе в каналах с МСИ;

• разработка и исследование методов декодирования сигналов с РКМ на основе свёрточных кодов;

• разработка и исследование методов декодирования сигналов с ТРКМ на основе турбо-кодов;

• исследование возможности и целесообразности передачи дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции.

Методы исследования. В работе используются методы теории вероятностей и теории случайных процессов, линейной алгебры, вариационного исчисления, методы теории оптимального приёма, а также методы современной теории помехоустойчивого кодирования. Проверка результатов исследования осуществлялась путём имитационного моделирования на компьютере с использованием языка технических вычислений МАТЬАВ, а также языка С++.

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Обоснованность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач, решаемых в диссертационной работе, на основе известной модели канала связи с МСИ, в математическом смысле адекватной реальным каналам связи.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью использования математического аппарата, сопоставлением с аналогичными результатами, полученными другими исследователями, а также сопоставимостью результатов, полученных путём имитационного моделирования и аналитического расчёта, в т.ч. соответствием дистанционных и вероятностных (статистических) характеристик помехоустойчивости.

Научная новизна результатов исследования. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен метод демодуляции сигнальных последовательностей при наличии МСИ, предусматривающий на первом этапе проецирование принимае-

мой сигнальной последовательности на некоторое конечномерное линейное подпространство, а на втором этапе - принятие решения на основе субоптимального алгоритма переборного типа.

2. Предлож