автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование спектрального метода приема цифровой информации в тропосферном радиоканале

/

Я Я .4 V

те/ V/ к," Д

^ 4

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЕФИМОВ ВЛАДИСЛАВ АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО МЕТОДА ПРИЕМА ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ТРОПОСФЕРНОМ РАДИОКАНАЛЕ

Специальность: 05.12.13. Системы и устройства радиотехники и связи

На правах рукописи УДК 621.391:621.396

Диссертация на соискание ученой степени канд™1™™ технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Никитин О.Р.

Владимир 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение......................................4

Глава 1. Анализ путей повышения скорости передачи цифровой информации по тропосферным радиоканалам и обоснование метода

спектральной обработки разнесенных многолучевых сигналов.....14

1.1 Факторы, определяющие пропускную способность многолучевых радиоканалов.............................14

1.1.1. Статистические характеристики тропосферного радиоканала. .15

1.1.2. Методика расчета помехоустойчивости при передаче цифровой информации по тропосферному радиоканалу..........17

1.2. Расчетная оценка пропускной способности канала ТРРЛ.....19

1.3. Обзор современных методов борьбы с селективно-частотными замираниями и межсимвольной интерференцией.........21

1.4. Спектральная обработка многолучевых сигналов в тропосферном радиоканале.............................30

1.5. Структура устройства спектральной обработки сигнала......34

1.6. Выводы..................................37

Глава 2. Помехоустойчивость методов спектральной обработки многолучевых сигналов............................38

2.1. Эффект «неявного» разнесения при оптимальном приеме сигнала, искаженного селективно-частотными замираниями.....38

2.2. Помехоустойчивость спектрального метода подавления межсимвольной интерференции при разнесенном приеме.......50

2.2.1. Прием одиночного сигнала .....................51

2.2.2. Разнесенный прием. Линейное спектральное сложение.....56

2.2.3. Разнесенный прием. Оптимальное спектральное сложение ... 61

2.2.4. Автовыбор в спектральной области................65

2.3. Сравнительная эффективность методов спектральной обработки

при разнесенном приеме многолучевых сигналов.........68

2.4. Выводы..................................71

Глава 3. Оптимизация составного сигнала при спектральном методе

компенсации межсимвольной интерференции ......... . 72

3.1. Расчет значений опорного сигнала..................72

3.2. Оценка уровня спектральных компонент...............78

3.3. Принципы реализации устройства обработки составного

сигнала.................................84

3.4. Выводы .................................87

Глава 4. Экспериментальное исследование помехоустойчивости метода спектральной обработки при разнесенном приеме многолучевых сигналов..................................88

4.1. Моделирование многолучевого сигнала...............89

4.2. Моделирование работы метода спектральной обработки сигнала на ЭВМ............................94

4.2.1. Статический режим.........................94

4.2.2. Динамический режим........................98

4.2.3. Исследование эффективности «неявного» разнесения.....101

4.3. Экспериментальное исследование устройства спектральной обработки многолучевых сигналов.................110

4.4. Выводы................................114

Заключение...................................115

Список используемой литературы......................117

Приложение...................................128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Анализ современного состояния систем тропосферной связи показывает, что их дальнейшее развитие во многом связано с переходом на цифровые методы передачи информации. Использование этих методов имеет ряд преимуществ, позволяющих существенно повысить эффективность тропосферных радиорелейных линий (ТРРЛ), эксплуатационную надежность, оперативность в решение вопросов организации связи, коммутации каналов и сообщений.

До последнего времени основное внимание было уделено скоростям передачи цифровой информации до 1-2 Мбит/с, когда селективные замирания, существующие в канале связи, и малая многолучевость не приводят к значительной межсимвольной интерференции. На этих скоростях при использовании ИКМ, максимальное число организуемых телефонных каналов не превышает 15-20, что недостаточно для развертывания магистральной связи.

Повышение скорости передачи цифровой информации в тропосферном радиоканале связано с проведением специальных исследований и разработкой новых инженерных решений. Создание радиотехнического оборудования, работающего на скоростях до 10-12 Мбит/с, позволит увеличить пропускную способность ТРРЛ при передаче не только дискретной информации, но и речевых сообщений. Так при стандартном цифровом тракте 8,448 Мбит/с, методами ИКМ возможно организовать 120 телефонных каналов, а применение адаптивной дифференциальной ИКМ обеспечивает увеличение их числа в два раза.

При построении модемов для высокоскоростных цифровых ТРРЛ необходимо учесть рассеяние сигнала в канале связи, которое для одиночного сигнала проявляется в частотной области в виде селективно-частотных замираний, а во временной - в виде расширения длитель-

ности информационной посылки на выходе канала связи. При высокой скорости передачи информации это явление неизбежно ведет к наложению соседних посылок или к межсимвольной интерференции (МСИ), снижающей общую помехоустойчивость системы. Поэтому задача эффективного подавления МСИ является основной при разработке модемов.

Вместе с тем, известно [112], что селективно-частотные замирания в принимаемом сигнале, вызванные многолучевостью его распространения, определяют «неявное» (канальное) разнесение, дополняющее внешнее разнесение, как правило, используемое в ТРРЛ. Реализация эффекта «неявного» разнесения позволяет повысить энергопотенциал системы без увеличения мощности передатчика и чувствительности приемника. При этом ее помехоустойчивость также увеличивается и приближается к своим потенциальным границам, обусловленным свойствами многолучевого канала связи и методами передачи дискретной информации.

Для борьбы с МСИ применяются как пассивные, так и активные методы. Использование пассивных методов борьбы с МСИ, основанных на применении комбинированных методов манипуляции и защитных интервалов, рационально только в случае слабой межсимвольной интерференции. Известные активные методы подавления МСИ, к числу которых относятся линейное выравнивание и безынерционная обратная связь по решению в сочетании с согласованной фильтрацией принимаемого сигнала, свободны от этого недостатка и во многих случаях удовлетворяют существующие потребности. Однако при передаче высокоскоростной цифровой информации и использовании этих методов может возникнуть дефицит энергопотенциала. Такая ситуация характерна, например, для длинных пролетов сети «Север» [92] или при проектировании мобильных высокоскоростных цифровых систем тропосферной связи. Поэтому в новых эффективных системах тропосферной связи необходимо применять такие методы обработки сигналов, которые позволяют снизить дефицит

энергопотенциала и устранить влияние явления межсимвольной интерференции.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование спектрального метода разнесенного приема дискретных сигналов с селективно-частотными замираниями и межсимвольной интерференцией, реализующего эффект «неявного» разнесения при одновременной компенсации МСИ. Метод предназначен для построения высокоскоростных цифровых модемов, использующих фазоразностные способы модуляции, в системах связи с разнесением и межсимвольной интерференцией.

В соответствии с поставленной целью, основные задачи исследования заключаются в следующем:

- анализ причин, по которым эффект «неявного» разнесения известными методами подавления МСИ на практике не реализуется;

- разработка спектрального метода приема разнесенных сигналов с фа-зоразностной модуляцией, искаженных селективно-частотные замираниями и интерферирующих между собой ;

- определение потенциальных границ помехоустойчивости при оптимальном приеме одиночных сигналов с селективно-частотными замираниями;

- исследование характеристик помехоустойчивости спектрального метода обработки сигналов при различных способах комбинирования разнесенных сигналов, сравнительный их анализ по помехоустойчивости ;

- исследование способа весовой обработки составного сигнала с целью обеспечения низкого уровня МСИ на выходе согласованного фильтра;

- подтверждение полученных результатов путем моделирования на ЭВМ и практических испытаниях устройства спектральной обработки сигнала.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели использовались методы статистической радиотехники, теории спек-

трального и математического анализа, а также аппарат матричной алгебры. В тех случаях, когда аналитическое решение получить оказывалось невозможным, применялось статистическое моделирование на ЭВМ.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что при разнесенном приеме фазоманипулированных сигналов, искаженных межсимвольной интерференцией, сложение сигналов в спектральной области с последующей весовой обработкой обеспечивает реализацию эффекта «неявного» разнесения и устраняет межсимвольную интерференцию.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод спектральной обработки разнесенных многолучевых сигналов, позволяет:

- обеспечить передачу дискретной информации по тропосферным радиоканалам со скоростью 10-12 Мбит/с при высокой достоверности и надежности связи;

- повысить кратность разнесения и энергопотенциал системы связи в целом.

Метод отличается относительной простотой своей технической реализации.

Результаты работы предназначены для использования при проектировании новых и модернизации действующих высокоскоростных систем передачи дискретной информации в каналах связи с селективно-частотными замираниями, межсимвольной интерференцией и дефицитом энергопотенциала.

Реализация и внедрение . Предложенный в работе метод и полученные теоретические и экспериментальные результаты внедрены в НИР «Дискрет», выполнявшимся в соответствии с тематическим планом Научно-исследовательского института радио (НИИР) , в разработки КБ «Радиосвязь» (г. Владимир), а также использовались при построении концепции развития тропосферной связи в Единой автоматизированной

сети связи СССР и при подготовке вклада в МККР по IX Исследовательской комиссии (Женева, 1989г.)

Теоретические результаты внедрены в лекционный курс «Радиотехнические системы передачи информации».

На защиту выносится совокупность научных и технических решений в рамках задачи компенсации МСИ в системах связи с разнесением с одновременным увеличением ее энергопотенциала.

1. Метод спектральной обработки многолучевых сигналов, заключающийся в сложении в спектральной области разнесенных сигналов, весовой обработке спектра составного сигнала и его согласованной фильтрации. Составной сигнал образуется при комбинировании частотных фрагментов сигнала из разных ветвей разнесения способами оптимального и линейного спектрального сложения, а также путем автовыбора.

2. Спектральный принцип устранения МСИ для сигналов с фазо-разностной модуляцией, состоящий в корректировке амплитудного спектра принимаемого сигнала с последующей согласованной фильтрацией.

3. Структурные схемы нового устройства спектральной обработки многолучевых сигналов при различных вариантах комбинирования его частотных фрагментов из различных ветвей разнесения.

4. Программно-аппаратный комплекс, предназначенный для оценивания характеристик помехоустойчивости разработанного метода, а также моделирующий его работу.

5. Результаты исследования и экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность и эффективность метода спектральной обработки многолучевых разнесенных сигналов.

Апробация работы. Основные результаты были доложены, обсуждены и одобрены на XXXIII - ХХХУ1 Всесоюзных научных сессиях, посвященных дню Радио; Всесоюзной конференции «Вопросы дека-метровой связи», Ленинград, 1987; на выездном заседании секции ЦП

НТО РЭС им. A.C. Попова «Теория и техника передачи дискретных сигналов», Владимир 1990; на научно-техническом семинаре ВЗЭИС «Методы повышения эффективности и качества дальней связи», Москва, 1985; на научно-технических совещаниях НИИР, Москва 1988-1990; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Владимирского политехнического института, Владимир, 1975-1997 .

Публикации по работе. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах, вышедших в центральных изданиях, защищены тремя авторскими свидетельствами.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения . Общий объем работы - 127 машинописных листов, в том числе - 107 страниц основного текста, 10 страниц списка литературы (120 наименований), 9 страниц рисунков и 4 страницы приложения.

В первой главе приведен анализ известных методов обработки сигналов, решающих задачу компенсации влияния МСИ при принятии решения о переданном символе. Цель анализа - поиск путей повышения помехоустойчивости при приеме дискретной информации. Рассмотрены следующие активные методы: линейное выравнивание [23, 31, 48, 59, 60, 69-71] и его комбинация с обратной связью по решению [9, 34, 50-53, 62, 77-82], алгоритм Витерби [19, 63, 114, 115], спектрально-фазовая демодуляция [45-47], взаимно-базисная коррекция [40]. Показано, что все они используют согласованную фильтрацию принятого сигнала и корректор МСИ. На практике фильтр, согласованный с принимаемым сигналом, заменяют фильтром, согласованным с передаваемым сигналом или полосовым фильтром, что приводит к потере эффекта «неявного» разнесения и к снижению помехоустойчивости системы.

При разнесенном приеме требования к реализации согласованного фильтра могут быть сняты, если такой фильтр обрабатывает сумму оп-

тимально сложенных многолучевых сигналов из разных ветвей разнесения. Однако оптимальное додетекторное сложение сигналов с МСИ невозможно из-за проблем, связанных с их фазированием. С другой стороны, для устранения МСИ необходимо измерять характеристики канала связи дополнительными средствами или использовать для настройки корректора обучающие последовательности. При этом объем и сложность аппаратуры существенно увеличиваются.

Указанные ограничения практического характера не позволяют в настоящее время построить высокоскоростные модемы для тропосферного канала с характеристиками, близкими к предельно возможным. Основной причиной, ведущей к энергетическим потерям, является невозможность на основе известных методов осуществить оптимальное сложение разнесенных сигналов с селективно-частотными замираниями и межсимвольной интерференцией.

На основе проведенного анализа и модели тропосферного канала связи в частотной области, рассмотрен спектральный подход к решению проблемы сложения многолучевых сигналов с фазоразностной модуляцией, предложен метод комбинирования сигналов с МСИ из разных ветвей разнесения, разработана структурная схема устройства спектральной обработки разнесенных сигналов.

Во второй главе исследованы характеристики помехоустойчивости при оптимальном приеме одиночного фазоманипулированного сигнала, прошедшего канал с селективно-частотными замираниями. Показано, что селективно-частотные замирания приводят к уменьшению вероятности ошибки по сравнению с оптимальным приемом сигнала с общими релеевскими замираниями. Этот эффект, получивший название эффекта «неявного» разнесения, объясняется статистической природой флуктуаций отдельных составляющих в спектре многолучевого сигнала и сложением энергии его лучей. Показано, что дополнительная кратность «не-

явного» разнесения определяется отношением полосы частот, занимаемой спектром сигнала, к радиусу частотной корреляции канала связи. При этом выяснено, что спектральное (или линейное) выравнивание с целью устранения МСИ не реализует эффект «неявного» разнесения.

На основе анализа работы предложенного метода спектральной обработки получены зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум при различных алгоритмах комбинирования ветвей разнесения в частотной области. Рассмотрены следующие варианты сложения: линейное, оптимальное и автовыбор. Показано, что при линейном спектральном сложении частотные фрагменты суммарного сигнала образованы суммой с единичным весом соответствующих спектральных компонент сигнала из разных ветвей разнесения. Дальнейшая весовая обработка его спектра приводит к частичной реализации эффекта «неявного» разнесения с одновременной компенсацией МСИ на выходе согласованного фильтра. Оптимальное спектральное сложение предполагает суммирование частотных фрагментов с весом, пропорциональным локальному отношению сигнал/шум и при обработке составного сигнала обеспечивается реализация эф�