автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование методов повышения эффективности систем передачи дискретных сообщений в каналах с переменными параметрами

у

#

На правах рукописи

ДЖАКОНИЯ Александр Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ В КАНАЛАХ С ПЕРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича

Научный руководитель - кандидат технических наук,

с.н.с. М.Я. Лесман Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.А. Курицын кандидат технических наук, с.н.с. A.M. Синильников Ведущее предприятие - Российский Институт Радионавигации и Времени (РИРВ)

Защета диссертации состоится <<•?$»..................... 1998 г.

в .'..Т... час. на заседании диссертационного совета К 118.01.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича по адресу; 191186, Санкт-Петербург, наб.реки Мойки, 61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан ........1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент сЛ В.Х. Харитонов

Подписано к печати 7.04.98

Объем 1 печ. л. Тир. 60 экз._

Тип. СПб ГУТ. 191186, СПб, наб.р. Мойки, 61

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современный этап развития общества характеризуется интенсивным внедрением средств вычислительной техники и автоматизированных систем управления, методов и средств формирования, хранения, передачи и обработки данных. Значительный рост парка персональных компьютеров и создание различных баз данных определяют лавинообразное увеличение объемов передаваемой информации. При этом непрерывно повышаются требования к оперативности обмена и достоверности принимаемой информации.

Особую актуальность в последние годы приобрели проблемы глобального расширения возможностей телефонных сетей общего пользования (ТСОП), включая вопросы персональной связи и подключения абонентов ТСОП к различным телекоммуникационным сетям, а также удовлетворение информационно-развлекательных потребностей общества. При этом основные тенденции развития техники связи характеризуются переходом к цифровым методам формирования, хранения, передачи и обработки сигналов, в том числе и в традиционно аналоговых системах. Это обусловлено, прежде всего, существенными преимуществами цифровых методов перед аналоговыми.

Наряду с интенсивным развитием систем и сетей передачи дискретных сообщений, ориентированных на массового пользователя, в последние годы резко возросла значимость специализированных систем передачи дискретных сообщений (СПДС). В частности, во всем мире наряду, с глобальными спутниковыми системами дальней радионавигации (типа ГЛОНАСС, GPS), широко используются импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРНС) в диапазоне километровых волн (КМВ) типа «Лоран», «Чайка» и др. В этих системах предусмотрена передача сообщений по радионавигационному каналу (РНК). Следует отметить, что РНК характеризуется крайне низкой энергетикой, ярко выраженной мно-голучевостью и непрерывными изменениями условий распространения, что обуславливает низкую достоверность принимаемых сообщений.

Можно констатировать, что разработка и внедрение эффективных цифровых систем радиосвязи и передачи данных (как общего пользования, так и специализированных) являются актуальными проблемами современной теории и техники связи. Решение этих проблем требует решения комплекса взаимосвязанных научно-технических задач, к которым в первую очередь следует отнести: анализ специфики радиоканала и разра-

ботка сравнительно простых и адекватных моделей канала; выбор методов модуляции и алгоритмов демодуляции; выбор методов помехоустойчивого кодирования и способов декодирования; разработку эффективных методов реализации аппаратуры радиосвязи.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование методов повышения эффективности СПДС в каналах с переменными параметрами (КПП), в частности, СПДС для ИФРНС. Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- анализ моделей дискретных каналов и выработка рекомендаций по их использованию;

- исследование специфики РНК и выработка алгоритмов функционирования СПДС для РНК;

- исследование помехоустойчивости когерентного, некогерентного и автокорреляционного методов приема сигналов с однократной ФРМ в каналах с частотно-селективными замираниями (ЧСЗ);

- исследование корректирующей способности симплексных кодов, включая эффективность табличного декодирования с исправлением ошибок;

- разработка аппаратно-программного комплекса, реализующего обработку дискретных сообщений по РНК;

- проведение стендовых и натурных испытаний СПДС по РЖ и экспериментальное исследование эффективности предложенных решений.

Методы исследования. Дня решения поставленных задач использовались методы теории вероятностей, теории случайных процессов и математической статистики, статистической теории связи и теории передачи дискретных сообщений, а также стендовые и натурные испытания аппаратуры передачи дискретных сообщений.

Научная новизна работы заключается в развитии методов цифровой передачи и приема сигналов в КПП и состоит в следующем:

- систематизированы и обобщены данные о моделях дискретных каналов, определены основные параметры моделей и условия их адекватности реальным каналам;

- разработана методика исследования помехоустойчивости систем передачи дискретной информации в каналах с ЧСЗ;

- получены выражения для расчета вероятностей ошибок при когерентном, оптимальном некогерентном и автокорреляционном методах приема сигналов с однократной ФРМ в каналах с ЧСЗ;

- показано, что реализация оптимальных процедур демодуляции ( когерентный и оптимальный некогерентный методы приема) сигналов с базой

В > 2 в каналах с ЧСЗ возможна только при наличии априорной информации о составляющих коэффициентов передачи канала на всех частотах (к = к^ЛТ; Ц = к2 - к, +1; В = 2ц - база сигнала);

- показано, что вероятность ошибки при приеме сигналов с однократной ФРМ в каналах с ЧСЗ зависит не только от отношения сигнал/шум (ОСШ), но и от распределения энергии передаваемого сигнала по частоте. При реализации оптимальных процедур демодуляции минимум вероятности ошибки достигается при равномерном распределении энергии передаваемого сигнала;

- показано, что при отсутствии априорной информации о текущих значениях составляющих коэффициентов передачи канала с ЧСЗ известные оптимальные алгоритмы обработки, (когерентный и некогерентный) не являются таковыми. В этих условиях наибольшую помехоустойчивость обеспечивает автокорреляционный прием;

- исследованы обнаруживающая и корректирующая способности симплексных кодов (СК);

- введены понятия класса векторов исправляемых ошибок (КВИО) и эквивалентных КВИО. Доказано, что в таблице декодирования любого симплексного (п,к,(1) кода любому КВИО набора векторов ошибок веса

"I" соответствует только один эквивалентный КВИО веса "т";

- предложены оценки сверху и снизу вероятности ошибочного декодирования Род СК при их табличном декодировании;

Практическая ценность работы состоит в том, что

- результаты систематизации и обобщения данных о моделях дискретных каналов могут быть использованы при проектировании и сравнительном анализе эффективности СПДС различного назначения;

- использование разработанной методики позволяет оценить вероятности ошибок различных методов обработки сигналов с произвольной базок (В > 2) в каналах с ЧСЗ;

- разработанная процедура обработки информационных сигналов I ИФРНС с учетом табличного декодирования СК (255,8,128) позволилг существенно повысить помехоустойчивость СПДС по РНК и удовлетворить требования по достоверности принимаемых сообщений, что подтверждено результатами стендовых и натурных испытаний;

- рассматриваемый алгоритм квазикогерентного приема реализует обработку многолучевого сигнала, т.е. использует энергетику как поверхностного, так и отраженных лучей.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда НИР и ОКР, а также при разработке опытных образцов аппаратуры передачи дискретных сообщений по РНК. Разработанные образцы СПДС установлены на действующих ИФРНС.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы обсуждались и были одобрены на Международной конференции по применению спутниковой связи Russian Telecom-95 (Санкт-Петербург, 1995 г.), на 48-й, 49-й, и 51-ой Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и сотрудников СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 1995, 1996, 1998гг.) и на 50-ой Научно-технической конференции студентов и молодых специалистов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 1996 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах.

Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Обсуждения постановки задачи и полученных результатов, а также экспериментальные исследования, включая натурные испытания аппаратуры на трассах Норильск - Инта и о. Панкратьев - Инта, проводились с соавторами опубликованных работ.

Положения, выносимые на защиту:

1. При разработке и моделировании СПДС по проводным и радио каналам целесообразно использовать модели составных каналов;

2. Вероятность ошибки при приеме сигналов с большой базой (В> 2) и однократной ФРМ в каналах с ЧСЗ существенно зависит от наличия (или отсутствия) априорной информации о квадратурных составляющих коэффициентов передачи канала на всех частотах (k = k1,k2; q = k2 - k1 +1; В = 2q), от ОСШ и от распределения энергии передаваемого сигнала по частоте.

3. Реализация оптимальных методов демодуляции сигналов с большой базой (В > 2) в каналах с ЧСЗ возможна только при наличии априорной информации о квадратурных составляющих коэффициентов передачи канала на всех частотах (к = к1,к2).

4. При наличии указанной информации наибольшую помехоустойчивость в каналах с ЧСЗ обеспечивает оптимальная когерентная обработка, причем минимум вероятности ошибки достигается при равномерном распределении энергии передаваемого сигнала. При прочих равных условиях, помехоустойчивость повышается с увеличением базы сигнала.

5. При отсутствии априорной информации о составляющих коэффициентов передачи канала с ЧСЗ алгоритмы когерентной и некогерентной обработки сигналов с В > 2 не являются оптимальными и проигрывают по помехоустойчивости автокорреляционному приему.

6. Использование симплексного кода (255,8,128) и табличного метода его декодирования наряду с реализацией квазиоптимального метода демодуляции сигналов с однократной ФМ позволяет обеспечить требуемые характеристики достоверности принимаемых по РНК сообщений.

7. В таблице декодирования любого СК любому КВИО {е^ веса "I" соответствует только один эквивалентный КВИО (ет}ч веса "т". кото-

Ш

рый определяется соотношением т = 2й -1 - Э^ах .

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены основные научные результаты, определена их практическая ценность и приведены положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрены основные проблемы передачи дискретных сообщений в КПП. Анализируются методы повышения эффективности как симплексных, так и дуплексных СПДС в КПП. Подчеркивается, что задача повышения эффективности СПДС в КПП, а также обеспечение требуемой достоверности передачи информации в КПП тесно связаны с реализацией оптимальных алгоритмов демодуляции, соответствующим выбором помехоустойчивого кода и методов его декодирования. При наличии канала обратной связи (ОС) повышение эффективности СПДС осуществляется, как правило, при помощи алгоритмов ОС.

Решение рассмотренного комплекса задач невозможно без всестороннего учета характеристик канала связи. В диссертации обобщаются и систематизируются известные данные о моделях дискретных каналов, определяются основные параметры моделей и условия их адекватности реальным каналам. Приводятся результаты оптимизации длины кодового слова с точки зрения максимума сквозной эффективности СПДС с РОС в гильбертовском канале. Отмечается, что использование моделей состав-

ных каналов позволяет, с одной стороны, достаточно точно описывать процессы, протекающие в реальных каналах связи, а с другой стороны, аналитически исследовать эффективность СПДС.

В диссертационной работе анализируются особенности функционирования СПДС по РЖ в диапазоне КМВ. Известно, что РНК диапазона КМВ является каналом с ярко выраженной многолучевостью и его основные параметры изменяются в широких пределах. Показано, что существующий алгоритм обработки информационных сигналов далеко не полностью использует энергетику радиолинии, так как прием осуществляется только по наземному лучу и обработке подвергается только часть сигнала. Формулируется задача реализации оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов приема сигналов в СПДС по РНК.

Важной особенностью функционирования СПДС по РНК является наличие совмещенного режима работы ИФРНС. В диссертации рассматривается процесс обмена информацией в типовой сети наземных ИФРНС и показано, что только наличие совмещенного режима обуславливает 1020% потери информации. Таким образом, разработка эффективной СПДС по РНК невозможна без использования мощного помехоустойчивого кодирования. На основе анализа работы СПДС по РНК в совмещенном режиме формулируются требования к выбору корректирующего кода.

Во втором разделе исследуется помехоустойчивость приема ФРМ сигналов в каналах с ЧСЗ и аддитивным гауссовским шумом. Передаваемый сигнал S(t) представлен в виде конечного ряда Фурье

кг

S(t)= £(Ak coskcöt + Bk sinkcot); 0<t<T, (1) k=k,

где Ak,Bk - коэффициенты разложения посылки сигнала S(t) на интервале t б [0,Т] в ряд Фурье; ю = 2л/Т; Т- длительность элементарной посылки сигнала; к^кг- номера первой и последней из учитываемых гармоник передаваемого сигнала; к2 - к., +1 = q; В = 2q - база сигнала.

Принимаемый сигнал Z(t) определяется следующим выражением

Z(t)= I (ak+Sk)coskü)t + fbk+Üsinkcot , (2)

k=k1|_ ^ '

гДе ak = цскАк + ц8кВк; Ьк = цскВк - ц8кАк;

л

цск,цБк, - синфазная и квадратурная составляющие коэффициен-

тов передачи канала и разложения аддитивной гауссовской помехи на кой частоте, соответственно.

При наличии в канале медленных селективных по частоте замираний £

величина ОСШ Ь2 = — (где Е - энергия элементарной посылки сигнала, и

и2 - спектральная плотность мощности шума) изменяется случайным образом и зависит от значений ак и Ьк

= (3)

2и >

Известно, что вероятность ошибки при оптимальных методах приема в каналах с постоянными параметрами зависит только от ОСШ. Следовательно, для вычисления вероятности ошибки в каналах с замираниями необходимо (и достаточно) усреднить р(Ь) по всем возможным значениям величины Ь2, т.е.

Рош<Ь) = ]рош(И)ф1)с1112, : (4)

о

где Г(И) - функция плотности вероятности (ФПВ) величины ОСШ Ь2.

Таким образом, задача определения потенциальных значений помехоустойчивости в каналах с ЧСЗ (при известных значениях коэффициентов передачи) сводится к отысканию ФПВ .

Поставленная задача решалась на базе аппарата характеристических функций в предположении о независимости коэффициентов передачи на к-ой и I -ой частотах. Показано, что при равномерном распределении энергии передаваемого сигнала по частоте ФПВ подчиняется "х-квадрат распределению" с 2ц степенями свободы

=-—-ехР "

р)>-1)1 1 11

(5)

а при неравномерном распределении

к.

1

/ .

'н(Ь)= £ ^ехр

И?

1*к

(6)

1=к„Ьь - И,

где - среднее значение ОСШ на I -ой частоте.

Подставляя (5) и (6) в (4) и используя известные выражения для вероятности ошибки при когерентном, некогерентном и автокорреляционном приеме сигналов в канале с постоянными параметрами, можно получить искомые выражения для средней вероятности ошибки в каналах с ЧСЗ.

В частности, для сигналов с однократной ФРМ при равномерном и неравномерном распределении энергии сигнала имеем - при когерентном приеме

1 2(-1)ч-1яч д

4-1

'ког.р.

2

1

гЭГСОД

1

1 2 4

= у

Г.Н. п ¿-1

^ гагс*д

2 11 + Нк2;

к

п

л/1 + Р.

2 к

ь2

м. Ь: - И,'

1*к К '

■ при оптимальном некогерентном приеме пч

Рнек.р. —

»(я + И2)'

-> (9)

1 ч

Ч

гП ;

- при автокорреляционном приеме

14

Р-1

'авт.р.

2(Ч + Ь2)

£ Ск+я-1

к=0

К к#| К 1

Ч;11

(7)

(8)

(10)

Равтл. = "Г Т, И И ^'+4-1

21" £1

к=01=кш=1

я+ь'

М

—,-\к+1

ык2

ч

П;

7 °1+Ч-1

(П)

(12)

=12' - (1 + нПК+1п4'Н--Н

В соответствии с (7)-(12) выполнены необходимые расчеты и представлены зависимости вероятностей ошибок при равномерном и неравномерном распределении энергии сигнала для различных значений базы сигнала (В = 2я). Следует подчеркнуть, что полученные соотношения определяют потенциальную помехоустойчивость рассматриваемых алгоритмов обработки сигналов с однократной ФРМ в частотно-селективных каналах.

При отсутствии на приемной стороне информации о текущих значениях составляющих коэффициентов передачи канала использование выражений (4)-(6) для расчета средних вероятностей ошибок при когерентном и некогерентном методах приема неправомерно. Для рассматриваемого случая предложена следующая методика анализа помехоустойчивости.

Представим алгоритм когерентной обработки сигналов с однократной ФРМ в виде

у2

(11+12) >("1-12) ,

(13)

где

I, = | ^„ЮЗДсИ; 12 = | /г^ГОЭДсИ;

1 о 1 о

При передаче пулевой разности фаз вероятность ошибки определяется вероятностью невыполнения неравенства (13). Можно показать, что при когерентном приеме сигналов с однократной ФРМ и базой В = 2ц

Рош = ][1-Ф2(Ь)], (14)

где И2 = ^£(Ак2+Вк2)(ц*к+^к).

2о к=г А '

Усредняя (14) по всем значениям синфазных составляющих коэффициентов передачи ц ск и выполняя необходимые преобразования, получаем искомые выражения для вероятности ошибки когерентного демодулятора сигналов с однократной ФРМ в канале с ЧСЗ.

В диссертационной работе в соответствии с разработанной методикой получены выражения для средней вероятности ошибки при когерентном и некогерентном методов приема сигналов с произвольной базой \ однократной ФРМ в канале с ЧСЗ при отсутствии информации о текущие значениях составляющих коэффициентов передачи канала, выполнень необходимые расчеты и представлены соответствующие зависимости.

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что помехо устойчивость различных алгоритмов обработки сигналов с однократно! ФРМ в каналах ЧСЗ зависит не только от ОСШ, но и от формы переда ваемых сигналов. При наличии информации о текущих значениях коэф фициентов передачи канала возможна реализация оптимальных алгорит мов обработки (когерентного и некогерентного), причем их помехоустой чивость возрастает с увеличением базы сигнала. При отсутствии указан ной информации наибольшую помехоустойчивость обеспечивает автоко релляционный прием.

В третьем разделе исследуются обнаруживающая и корректирующа способности симплексных (п,к,с!) кодов, параметры которых определяют ся следующими соотношениями

п = 2к -1 ; Ч = (15

где п - длина кодового слова; к - число информационных символов; с! кодовое расстояние.

Класс СК характеризуется значительной избыточностью и больши: кодовым расстоянием, что позволяет гарантированно исправлять и (илг обнаруживать достаточно большое число ошибок. Рассматриваются тр

метода декодирования СК: с обнаружением ошибок; с частичным исправлением ошибок кратности 1И не выше гарантированно исправляемых (Чи ¿^.и ) и обнаружением ошибок большей кратности; табличное декодирование, при котором исправляются все ошибки кратности < 1ГИ и часть ошибок большей кратности.

Для оценки обнаруживающей способности СК определены вероятности необнаруженной ошибки Рно в ДСК без памяти

- при чистом обнаружении ошибок

Рно = пра(1-р)"-1, (16)

где р - вероятность ошибки в ДСК без памяти;

- при частичном исправлении < и обнаружении ошибок большей кратности

и=0д=0

с!-2д+и

(17)

(18)

1-р.

В соответствии с (16) и (17) выполнены необходимые расчеты и приведены графики зависимостей Рно(р) в ДСК без памяти для СК длины до 255 и 0 £ <

Значительно более сложной является задача определения корректирующей способности СК при их табличном декодировании. Используя для оценки корректирующей способности вероятность ошибочного декодирования Род, в рассматриваемом случае для ДСК без памяти имеем

Род^-рЕА.с^-р )"■

.¡=о

где А, - доля исправляемых ошибок кратности I.

Ясно, что при 2 1ги имеем А! = 1. Нетрудно показать, что при I = <* -1 для любого СК справедливо утверждение

Асм^СГ}"1,

т.е. при табличном декодировании СК исправляется только одна ошибка кратности <1-1. Таким образом, задача заключается в определении А! при

Даже для симметричных каналов без памяти вычисление А( представляет большую проблему, т.к. связано с решением переборной задачи. В диссертационной работе введены понятия класса векторов исправляемых ошибок (КВИО) и эквивалентных КВИО. Под классом векторов ис-

правляемых ошибок понимается некоторое множество (набор) векторов ошибок е( веса "I", каждый элемент которого приводит к одному и тому же весовому распределению смежного класса. Под эквивалентными КВИО понимаются такие два класса векторов ошибок |е(} и ко-

торые имеют равную мощность и удовлетворяют следующему соотношению для весового распределения смежных классов

ьН=ьР<-, (19)

где Ьг - число последовательностей веса у .

Формулируется и доказывается следующая теорема: в таблице декодирования любого (п,к,с1) СК любому КВИО |е||. веса "Г соответствует

только один эквивалентный КВИО |ет| веса " т", причем

т = 2<3 -1 - Эт^1, где Э^а"1)/1 - максимальный вес смежного класса для КВИО [е^.

Использование данной теоремы сокращает объем необходимых вычислений, что позволяет определить доли исправляемых ошибок кратности выше для симплексных кодов длины до 31, а следовательно, вычислить точные значения зависимостей вероятности ошибочного декодирования от вероятности ошибки в ДСК без памяти. К сожалению, для более длинных кодов аналогичные вычисления на ПЭВМ не представляются возможными. Поэтому в диссертационной работе предложены и вычислены оценки Род снизу и сверху.

Показано, что достаточно хорошая оценка сверху определяется выражением

Г1'С!пр!(1 - РГ' + А,- Рг"4 (20) .1=0 '2

А = 1 - ^С^ - -доля исправляемых ошибок кратности ^.

В качестве оценки снизу использована вероятность ошибочного декодирования квазиоптимального кода, исправляющего все ошибки кратности 10пт и часть ошибок кратности 1:оггг +1, т.е.

Р < 1-

год ^ 1

р > 1-

Г0Д ' 1

^опт

'опт

\п-1 . „ ___+1 (л _\п-1опт-1

1С!пр'(1-р)п-' + В1опт+1Р^(1-Р)п

1=0

(21)

где В,о(гг+1 - количество ошибок кратности 10П7 +1, исправляемых квазиоптимальным кодом.

В диссертации определены значения 10пт и В1от+1 для СК длины до

255. В соответствии с (18), (20) и (21) выполнены расчеты и получены зависимости вероятности ошибочного декодирования СК длины 7, 15, 31 от вероятности ошибки в ДСК без памяти, а также оценки (сверху и снизу) этих зависимостей для СК длины до 255. Следует отметить, что при больших значениях р (> 0.2) истинные значения Род практически совпадают с оценкой снизу, а с уменьшением р - стремятся к оценке сверху. В частности, для кода (31,5,16) истинное значение Род определяется оценкой сверху при р < 10"2.

В четвертом разделе рассматриваются вопросы цифровой реализации СПДС по радионавигационному каналу ИФРНС километрового диапазона и обсуждаются результаты стендовых и натурных испытаний опытных образцов СПДС.

Наличие в каждом пакете восьми радионавигационных импульсов с известной начальной фазой позволяет реализовать в СПДС алгоритм квазикогерентного приема сигналов с бинарной фазовой модуляцией (ФМ)

1п = 8дп]г9п(^2м(^, (22)

0 к=1

где 1П = ±1 - двоичный информационный символ, переданный в п-ом пакете; г9п(1)- принятый информационный сигнал (9-й импульс) в п-ом пакете; гк>п(*) - принятый навигационный сигнал (к-й импульс, к = 1,8) в пом пакете; Т - интервал обработки.

Переходя в (22) к дискретизированному во времени сигналу и заменяя интегрирование суммированием, имеем

1п=здп ¿29п(1А1)Х2кп(Ш) , (23;

.1=1 к=1 где - шаг дискретизации; [.Д1 = Т.

Следует отметить, что алгоритм (23) реализует обработку многолу чевого сигнала, т.е. использует энергетику как поверхностного, так и от раженных лучей.

Для обеспечения требуемой достоверности принимаемых сообще ний в условиях совмещенного режима, в СПДС по РНК предложено ис пользовать в качестве корректирующего симплексный код (255,8,128) ] табличный метод его декодирования. Применение данного кода, с одно] стороны, удовлетворяет требованиям к скорости передачи информации,

с другой стороны, позволяет обеспечить требуемую вероятность правильного приема сообщений при исходной вероятности ошибки (на бит) в ДСК без памяти порядка 2 * 10'1.

В диссертационной работе описаны принципы реализации аппаратно-программного комплекса, в котором реализуются: на передающей стороне - формирование сообщения и синхропоследовательности, а также помехоустойчивое кодирование информации; на приемной - преобразование аналоговых навигационных и информационных сигналов в цифровую форму, включая формирование частоты дискретизации 500 кГц, демодуляция принятых сигналов, цикловая синхронизация и табличное декодирование симплексного кода (255,8,128).

Аппаратная часть достаточно просто реализуется на базе современных интегральных микросхем, в частности, АЦП реализовано на ИМС 1108 ПВ1. Программное обеспечение выполнено на языке программирования ASSEMBLER. Следует отметить, что на IBM-совместимом компьютере все операции, связанные с формированием сообщений, кодированием, демодуляцией, цикловой синхронизацией и декодированием, реализуются в реальном масштабе времени.

В диссертационной работе приводятся программы и методики стендовых и натурных испытаний опытного образца СПДС для радионавигационной системы. В стендовых испытаниях использовался имитатор радионавигационного канала, включающий имитатор передающей и приемной частей ИФРНС.

Стендовые испытания подтвердили работоспособность опытных образцов СПДС. Результаты стендовых испытаний (при различных значениях ОСШ и задержек отраженного луча) экспериментально подтвердили теоретические оценки вероятности правильного приема сообщений.

Натурные испытания проводились на трассах о. Панкратьев-Инта и Норильск-Инта. В процессе испытаний осуществлялся прием известных телеграмм, состоящих из 16 букв служебного алфавите (шестнадцатиричного), и оценивался коэффициент кошб, т.е. частост! ошибочного приема букв алфавита

k

щ

где N6 - общее количество принятых букв; N6 - количество неправильнс принятых букв.

На трассе Норильск-Инта общее количество принятых бую N6-4116, а количество принятых с ошибкой букв Ng=0. Таким образом, 3!

все время испытаний на этой трассе не произошло ни одного случая ошибочного декодирования. Трасса о. Панкратьев-Инта характеризуется гораздо более тяжелыми условиями распространения, по сравнению с трассой Норильск-Инта. На трассе о. Панкратьев-Инта общее количество принятых букв составило Ыб=5056. Количество неправильно принятых букв М6=10, т.е. кошб =2*10~3. Следовательно и на трассе о. Панкратьев-Инта использование разработанных опытных образцов СПДС по РНК позволило обеспечить требования, предъявляемые к достоверности принимаемых сообщений.

Таким образом, стендовые и натурные испытания опытных образцов СПДС по РНК подтвердили обоснованность принятых алгоритмических и технических решений и показали, что аппаратура обеспечивает достоверный прием служебной информации. Два опытных образца СПДС установлены на опытную эксплуатацию на действующих ИФРНС.

В Приложениях приведены вычисления одного класса интегралов и представлены таблицы весового распределения смежных классов СК произвольной длины для образующих веса <, 6.

Заключение

Основные результаты, полученные в работе, можно сформулировать следующим образом.

1. Разработана методика анализа помехоустойчивости различных алгоритмов приема сигналов с произвольной базой в каналах с ЧСЗ.

2. Наличие ЧСЗ обуславливает зависимость помехоустойчивости не только от базы (В = 2я), но и от формы передаваемого сигнала.

3. Мгновенное использование априорной информации о текущих значениях синфазных и квадратурных составляющих коэффициентов передачи канала на всех частотах (к = к.1,к2;я = к2 - к1 +1) позволяет реализовать оптимальные методы приема сигналов. При этом, помехоустойчивость указанных алгоритмов приема возрастает с увеличением базы сигнала.

4. Наибольшую помехоустойчивость обеспечивает когерентная обработка. При ц > 1 оптимальный некогёрентный прием обеспечивает меньшую среднюю вероятность ошибки, чем автокорреляционный прием. В указанных условиях, минимум вероятности ошибки при приеме сигналов с однократной ФРМ обеспечивается при равномерном распределении энергии передаваемых сигналов в занимаемой полосе частот.

5. В отсутствии априорной информации о текущих значениях синфазных и квадратурных составляющих коэффициентов передачи канала на всех частотах, наибольшую помехоустойчивость обеспечивает автокорреляционный прием, а использование когерентного и оптимального некогерентного алгоритмов обработки является нецелесообразным.

6. Оптимальность автокорреляционного метода в данных условиях обуславливается отсутствием необходимости в априорной информации о текущих значениях синфазных и квадратурных составляющих коэффициентов передачи канала, т.к. в качестве опорного колебания выступает предыдущая посылка сигнала. Ясно, что в отсутствии информации о параметрах канала, целесообразно использовать автокорреляционные демодуляторы и стремиться к равномерному распределению энергии передаваемого сигнала в занимаемой полосе частот.

7. Декодирование симплексных кодов с частичным исправлением ощибов

< и обнаружением ошибок большей кратности обеспечивает весьма низкие вероятности необнаруженной ошибки (Рно) при п>31 даже при "обрыве" канала (р = Полученные результаты позволяют оценить Рно при использовании симплексных кодов длины до 255 I ДСК без памяти при различных значениях вероятности ошибки в канал< р и числе исправляемых ошибок < 1ГИ.

8. Табличное декодирование симплексных кодов позволяет исправлять н< только все ошибки кратности до 1г и , но и часть ошибок кратности вы ше 1ГМ , вплоть до кратности (1-1.

9. Получены оценки сверху и снизу вероятности ошибочного декодирова ния симплексных кодов длины до 255 при их табличном декодировали) в ДСК без памяти.

10. В таблице декодирования любого (п,к, с!) симплексного кода любом; классу векторов исправляемых ошибок [е(]. веса "1" соответствуе

только один эквивалентный класс векторов исправляемых ошибо

|ет| ^ веса " т", причем т = 2с! -1 - Б^ .

И. Алгоритм квазикогерентной обработки информационных сигналов пс зволяет существенно улучшить качественные характеристики СПДС п РНК.

12. Стендовые и натурные испытания опытных образцов СПДС по ради« навигационному каналу подтвердили обоснованность принятых алг< ритмических и технических решений. Разработанная система ПД

обеспечивает весьма высокие качественные показатели и полностью удовлетворяет требованиям по достоверности принимаемых сообщений в СПДС для ИФРНС.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах;

1. Джакония A.B. Оптимизация длины кодового слова в СПДС с РОС в гильбертовском канале // Сб. науч. тр. учеб. вузов связи/ ГУТ. -СПб., 1996,-N2, с. 35-40.

2. A. Djakoniya, М. Lesman, Yu. Okunev. В. Veselov. Development of Program Models of Multifrequency Modem, Conf. Proceed. Russian Telecom-94 -St. Petersburg, Dec. 12-16, 1994, pp. 105-108.

3. Джакония A.B., Лесман М.Я. Пути повышения сквозной эффективности систем передачи дискретных сообщений с решающей обратной связью // 48-ая Научно-техническая конференция СПбГУТ. -СПб., 1995, -с.56.

4. Джакония A.B. Исследование сквозной эффективности систем передачи дискретных сообщений с РОС в гильбертовском канале // 49-ая Научно-техническая конференция СПбГУТ. -СПб, 1996, -с.51.

5. Джакония A.B., Лесман М.Я. Помехоустойчивость когерентных алгоритмов обработки в каналах с селективными замираниями // 50 Научно-техническая конференция студентов и молодых специалистов СПбГУТ. -СПб, 20-24 мая, 1996, -с. 47.

6. Джакония A.B., Лесман МЛ. Помехоустойчивость некогерентных алгоритмов обработки в каналах с селективными замираниями // 50 Научно-техническая конференция студентов и молодых специалистов СПбГУТ. -СПб, 20-24 мая, 1996, -с. 48.

7. Джакония A.B., Лесман МЛ. Помехоустойчивость автокорреляционных алгоритмов обработки в каналах с селективными замираниями //50 Научно-техническая конференция студентов и молодых специалистов СПбГУТ. -СПб, 20-24 мая, 1996, -с. 48

В. Джакония A.B. Обнаруживающая и корректирующая способности симплексных кодов в ДСК // 51 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и сотрудников СПбГУТ. -СПб, 1998, -С.77.

9. Джакония A.B., Лесман МЛ. Табличное декодирование симплексных кодов // 51 Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и сотрудников СПбГУТ. -СПб, 1998, -с.78.