автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка методов и устройств эффективного формирования сигналов в цифровых системах наземного телевизионного вещания

На правах рукописи

УДК 621.397

Грачев Алексей Юрьевич

Разработка методов и устройств эффективного формирования сигналов в цифровых системах наземного телевизионного вещания

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре телевидения Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ)

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Безруков В.Н.

доктор технических наук, профессор Сизов В.П.

кандидат технических наук Салтыков К.Е.

Ведущая организация - ЗАО «Московский научно-

исследовательский телевизионный институт» (МНИТИ), г. Москва

Защита диссертации состоится « $ » ¿¿^#>£«¿2005 года в .¿У" часов на заседании кандидатского диссертационного совета К219.001.02 по присуждению учёной степени кандидата технических наук в Московском 1ехническом университете связи и информатики по адресу: 111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 8-а., ауд.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан 2005 г.

Учёный секретарь кандидатского диссертационного совета К219.001.02 кандидат технических наук, доцент О. В. Матвеева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В соответствии с «Концепцией внедрения в России цифрового наземного телевизионного и радиовещания», утвержденной на заседании коллегии Минсвязи РФ в 2003 году, в качестве основы национального стандарта цифрового телевидения в Российской Федерации определена европейская система DVB (Digital Video Broadcasting, англ.), соответственно: DVB-T - эфирное наземное, DVB-S -эфирное спутнико.вое, DVB-C - кабельное цифровое телевещание.

Система эфирного наземного цифрового телевизионного вещания (ЦТВВ) по стандарту DVB-T реализует передачу сигналов изображений с высокой помехоустойчивостью и полностью совместима с существующим планом распределения частот радиоканалов. Данная система позволяет вести прием телевизионного радиосигнала на подвижные объекты, обеспечивает выполнение современных требований к электромагнитной совместимости различных передатчиков. При этом система работает в условиях относительно высокой сложности помеховой обстановки, т.е. при наличии всех видов помех: флуктуационных, сосредоточенных, импульсных (в том числе, внутрисистемных); различного влияния шумов, т.е. их воздействия - аддитивного и в некоторых случаях мультипликативного.

В то же время, специфика функционирования системы ЦТВВ DVB-T предъявляет повышенные требования к характеристикам как радиопередающего, так и радиоприёмного устройств. При этом формирование выходного радиосигнала в передающей части системы конкретизируется европейским стандартом ETSI EN 300 744 v. 1.4.1, а аналогичных рекомендаций и указаний по построению радиоприёмных трактов стандарт DVB-T не содержит. Учитывая, что в соответствии с указанной Концепцией полный переход к цифровому телевещанию в РФ намечен на 2015 год, то имеет смысл решать задачи по исследованию и разработке способов реализации структуры радиоприёмных устройств и их отдельных элементов на основе рекомендаций стандарта DVB-T.

Важнейшим элементом радиоприёмного устройства системы ЦТВВ DVB-T в составе демодулятора является канальный фильтр, не-

обходимый для динамической коррекции характеристик канала передачи. Классическим цифровым корректирующим канальным фильтром, применяемым для радиоприёмных устройств DVB-T, является фильтр Винера, который строится согласно уравнению Винера-Хопфа с использованием принципов линейной адаптивной фильтрации. Но традиционный подход к решению задачи по фильтрации параметров (характеристик) канала телевещания в части компенсации искажений мультипликативного типа не совсем адекватен условиям, при которых решается такая задача, и поэтому имеет некоторые потенциальные возможности для совершенствования. Например, при традиционном подходе необходимо использовать большие объёмы вычислений и значительную оперативную память, что заставляет применять высокопроизводительные, ресурсоёмкие и, соответственно, более дорогие сигнальные микропроцессоры.

Кроме того, указанный фильтр обеспечивает оптимальную фильтрацию в смысле минимума среднеквадратической ошибки (исходя из критерия минимальной среднеквадратической ошибки) лишь при соблюдении довольно жёстких ограничений, часто неприемлемых и невыполнимых на практике. Главными из них являются: линейность развития во времени фильтруемого параметра и линейность зависимости принимаемой суммы радиосигнала и помех (то есть смеси радиосигнала и помех на входе приёмника) от этого параметра, стационарность передаваемого и принимаемого процессов и, в идеале, хранение всей предыстории обрабатываемой корректирующим канальным фильтром реализации радиосигнала.

Эффективное в экономическом и технологическом плане решение задачи создания высококачественного радиоприёмного устройства (проектирования радиоприёмного тракта) устойчивого к воздействию помех и шумов канала передачи для системы эфирного наземного ЦТВВ DVB-T возможно также с использованием теории нелинейной стохастической фильтрации. Её основы были заложены А. Н. Колмогоровым, Н. Винером, Р. Л. Стратоновичем, В. И. Тихоновым, Р. Кал-маном, Р. Быоси, Г. Кушнером, М. Вонхамом и другими учёными.

Накладываемое методами теории оптимальной нелинейной фильтрации ограничение (передаваемые по каналу телевизионного ве-

щания сообщения, а также помехи в нём должны быть марковскими процессами) не является жёстким, так как реальные случайные процессы можно аппроксимировать многомерными марковскими процессами с требуемой точностью, а всякий случайный процесс, спектральная плотность мощности которого представляется при помощи дробно-рациональной функции, является компонентой многомерного марковского процесса. Однако решение задачи динамической оценки параметров канала и динамической коррекции его характеристик с помощью теории нелинейной фильтрации в общем виде отличается чрезмерной сложностью как теоретической, так и практической. Поэтому данная задача в диссертации решается в линейном приближении (финальная апостериорная плотность вероятности аппроксимируется га-уссовским законом распределения) и с использованием предположения о том, что синхронность и синфазность обработки сигналов идеально обеспечена. При этом следует отметить, что линейное приближение определяет устойчивость работы всей совокупности операций алгоритма только при небольших отклонениях оцениваемых параметров гауссовской апостериорной плотности вероятности от истинных значений. При существенном возрастании отклонений, например, при значительном начальном смещении спектра за счёт доплеровского сдвига, нестабильностях возбудителя передатчика и гетеродинов приёмника, будут наблюдаться срывы синхронизации и значительное (часто неприемлемое) увеличение коэффициента ошибок и, как следствие, неправильный приём символов (неправильная демодуляция).

Уже существующий уровень развития микропроцессорной техники и методов цифровой обработки сигналов реально обеспечивает техническую возможность создания эффективного радиоприёмного устройства на основе теории нелинейной фильтрации. Следует, в связи с этим, отметить, что в период 1998-2004 гг. за рубежом появились работы по созданию алгоритма динамической оценки характеристик (параметров) федингующего многолучевого канала телевещания с помощью теории нелинейной стохастической фильтрации при приёме радиосигналов с объединением ортогональных несущих (ООН). Это, например, работы португальских учёных F. D. Nunes'a и Jose M. N. Leitao. Они убедительно показали преимущества нелинейного фильтра

перед нестационарным расширенным фильтром Калмана-Быоси, а, следовательно, и перед стационарным фильтром Винера, используемым для уже существующих телевизионных приставок и приемников системы ЦТВВ DVB-T. Соответственно, не вызывает сомнений тот факт, что целесообразно проводить оценку параметров федингующего телевизионного канала вещания для радиосигнала системы ЦТВВ DVB-T на приёмной стороне на основе принципов нелинейной стохастической фильтрации по соответствующим им алгоритмам.

Применение быстрого преобразования Фурье (БПФ) на приёме позволяет обеспечить при этом цифровую обработку необходимого количества поднесущих (6817 - в 8К режиме излучения и 1705 - в 2К режиме излучения) в радиоприёмном устройстве с помощью незначительно ресурсоёмкого и, соответственно, достаточно дешёвого сигнального микропроцессора. Это, несомненно, является существенным достоинством подобного варианта обработки радиосигнала с объединением ортогональных кодированных несущих (ООКН). При конкретизации структуры и отдельных элементов демодулятора, разработанного на основе теории нелинейной стохастической фильтрации для системы ЦТВВ DVB-T, большое внимание уделяется проблеме сопряжения БПФ с элементами помехоустойчивой обработки принимаемого телевизионного ООКН-радиосигнала.

Решению указанных задач посвящено основное содержание представленной диссертационной работы. Проделанная работа отражает результаты проведённых исследований в части разработки адаптивных устройств радиоприёма сигнала с ООН для системы ЦТВВ DVB-T по каналам метрового и дециметрового диапазонов в условиях многолучевого распространения, с присутствием межсимвольной и межканальной интерференции, замираний, под влиянием сложной помеховой обстановки и при наличии эффекта Доплера. Результаты разработки нового корректирующего канального фильтра в своей совокупности отражают качественное повышение эффективности функционирования элементов и устройств системы ЦТВВ DVB-T, обеспечивают более устойчивую работу системы эфирного наземного ЦТВВ DVB-T на многолучевых мобильных каналах вещания при действии наиболее часто

встречаемых в мобильном вещательном телевизионном канале мультипликативных искажений.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов цифрового формирования и обработки радиосигналов с объединением ортогональных кодированных несущих в спектральной и временной областях на основе теории нелинейной стохастической фильтрации, обеспечивающих улучшение качественных показателей функционирования системы ЦТВВ DVB-T, и проектирование соответствующих им устройств, применяемых для борьбы со сложными видами мультипликативных и аддитивных помех в многолучевых радиоканалах стационарного и мобильного телевизионного вещания.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследований в работе решаются следующие задачи:

анализ и моделирование процесса формирования телевизионного (ТВ) радиосигнала ООКН в передающей части системы эфирного наземного ЦТВВ DVB-T применительно к разработке в диссертации корректора-эквалайзера канала телевизионного вещания, размещённого в демодуляторе радиоприёмного устройства; конкретизация характеристик и параметров многолучевого приёма радиосигнала эфирного наземного ЦТВВ DVB-T в реальных стационарных и мобильных радиоканалах вещания с учётом действия помех и шумов;

разработка алгоритма коррекции ТВ радиосигнала ООКН на выходе многолучевого канала вещания на основе теории нелинейной стохастической фильтрации средствами цифровой обработки сигналов с применением алгоритмов быстрых ортогональных преобразований;

сравнительный анализ эффективности применения разработанных алгоритмов подавления сложных мультипликативных и аддитивных помех и шумов в реальных каналах гауссовского, рай-совского и рэлеевского типов.

Методы исследования. Основная часть диссертационной работы выполнена с привлечением методов статистической теории связи (статистического анализа и синтеза радиотехнических устройств и сис-

тем), теории функций и функционального анализа, теории вероятностей и математической статистики.

Все расчёты выполнены с использованием численных методов, реализованных на персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ) с помощью пакета математического проектирования MATLAB 6.5 и средства имитации радиотехнических устройств и модулей SimuЦnk 5.0, а также описания программных моделей на языке высокого уровня.

Обоснованность основных научных положений и исследований, рекомендаций и выводов, сделанных в диссертационной работе, подтверждается проведёнными экспериментами и статистическим математическим моделированием на ПЭВМ в среде имитации радиотехнических устройств и модулей Simulink 5.0, работающей под управлением системы математического проектирования MATLAB 6.5. Научная новизна работы.

Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в следующем:

=> предложено решение задачи помехоустойчивого приёма ООКН-радиосигнала системы ЦТВВ DVB-T, обеспечивающее устойчивый его приём при действии специфических видов искажений и помех, характерных для различных моделей реальных каналов вещания, и обладающее преимуществами по отношению к уже существующим вариантам;

разработан новый метод динамической коррекции характеристик (параметров) многолучевого мобильного канала вещания системы ЦТВВ DVB-T, подверженного мультипликативным искажениям, и показана его эффективность;

осуществлена экспериментальная реализация цифрового квазикогерентного фильтра (корректора-эквалайзера), разработанного на основе теории нелинейной стохастической фильтрации с применением быстрых алгоритмов ортогональных преобразований; разработана методика и получены результаты сравнительного анализа помехоустойчивости известных и разработанного методов подавления помех мультипликативного типа.

Личный вклад. Теоретические и экспериментальные исследования, расчёты и выводы, изложенные в диссертационной работе, выполнены и получены автором лично.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Проведённый анализ специфики функционирования радиопередающего устройства позволил реализовать программное обеспечение и осуществить математическое моделирование передающего устройства системы ПУБ-Т в части формирования телевизионного ООКН-радиосигнала в среде имитации радиотехнических устройств и модулей 81шиИпк 5.0 системы математического проектирования МАТ1ЛБ 6.5.

В работе предложен и реализован в виде алгоритма новый метод динамического отслеживания параметров и цифровой динамической коррекции характеристик многолучевого мобильного радиоканала вешания в спектральной области при приёме телевизионного ООКН-радиосигнала, способный существенно повысить для телевизионного приёма в соответствии со стандартом ПУБ-Т помехоустойчивость и другие основные показатели качества. По существу, такими показателями качества в системе ЦТВВ ПУБ-Т являются коэффициенты битовых и символьных ошибок (КБО и КСО), средняя вероятность принятия ошибочного символа, а также зависимость точности выполнения фильтрации от отношения сигнал-шум (ОСШ) на входе радиоприёмника. Преимущества предложенного метода доказаны статистическим математическим моделированием.

Разработанный в диссертации метод подавления помех, соответствующее алгоритмическое и программное обеспечения, а также результаты его моделирования используются в НИЧ МТУСИ при разработке оригинального программно-аппаратного блока устройства обработки информации связи (УОИС) для переносной радиостанции.

Вышеуказанные методы приняты для практического использования в сфере радиотелефонной связи.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждалось на V Международном

9

конгрессе HAT «Прогресс технологий телерадиовещания» (TRBE) (Москва, 2001 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и её применения» (DSPA) (Москва, 2002 г.), на научно-технических конференциях МТУСИ профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава (Москва, 2001, 2003, 2004 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации, а также результаты теоретических и экспериментальных научных исследований отражены в 14 опубликованных работах. Публикации включают 8 тезисов докладов и 6 статей. Большинство опубликованных работ авторские.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 230 страницах текста с 90 иллюстрациями и 30 таблицами. Список литературы насчитывает 105 наименований. Общий объём работы с приложениями составляет 260 страниц.

Основные положения, выносимые на защиту:

• разработанный на основе требований стандарта алгоритм работы цифрового телевизионного радиопередатчика эфирного наземного вещания в стандарте DVB-T и полученные результаты экспериментальных исследований.

• результаты сравнительного анализа алгоритмов помехоустойчивой демодуляции ООКН-радиосигнала системы ЦТВВ DVB-T, разработанных на основе линейной адаптивной и нелинейной стохастической фильтрации.

• метод цифровой коррекции искажений ООКН-радиосигнала на выходе многолучевого канала телевизионного вещания, обеспечивающий качество приёма радиосигнала ООКН практически не уступающее варианту выполнения коррекции на основе линейного фильтра Винера, но при использовании существенно меньших вычислительного ресурса и ёмкости накопителей.

• разработанный алгоритм и устройства цифровой обработки ООКН-радиосигналов, реализующие метод коррекции мультип-

ликативных искажений, характерных для мобильного вещательного канала телевидения. • результаты математического машинного моделирования и экспериментальных исследований разработанного метода, устройств и характеристик эффективного радиоприёма сообщений на выходе многолучевого мобильного канала телевизионного вещания.

Краткое содержание работы Во введении показаны актуальность диссертационной работы, современный уровень разработанных научно-технических решений, определены цель, задачи и методы исследований. Также конкретизируются научная новизна, личный вклад в работу, практическая значимость, сведения об апробации работы, публикациях автора и положения, выносимые на защиту.

В содержании первой главы диссертации рассмотрены специфика построения и функционирования, алгоритмы формирования радиосигнала ООКН, основные параметры и характеристики системы эфирного наземного ЦТВВ БУБ-Т, а также требования к структурно-функциональным элементам оборудования её передающей части (передающего тракта).

В начале первой главы представлена функциональная блок-схема передающего тракта базовой системы цифрового телевидения БУБ-Т. Функциональными блоками канального кодирования и модуляции системы последовательно выполняются операции по адаптации телевизионного сигнала в основной (первичной) полосе частот с выхода транспортного мультиплексора МРЕО-2 к характеристикам эфирного наземного канала телевизионного вещания. Пакеты транспортного потока МРЕО-2 соответственно поступают здесь на вход формирователя телевизионного ООКН-радиосигнала, в котором их объединяют в группы по восемь смежных пакетов, скремблируют сгруппированный цифровой сигнал, затем подвергают помехоустойчивому кодированию (внешнему кодированию Рида-Соломона и внешнему перемежению, внутреннему свёрточному кодированию и внутреннему перемежению). Скремблированию и свёрточному кодированию не подвергают синхро-байты сформированных групп пакетов.

В результате выполнения указанных операций канального кодирования достигается увеличение устойчивости радиосигнала системы ЦТВВ DVB-T к воздействиям помех. Увеличивается, в частности, устойчивость к внутриполосным помехам, которые имеют относительно постоянную во времени область локализации спектра или отражают наличие искажений, имеющих в пределах рабочего диапазона частот относительно низкую динамику изменений во времени, что влияет на комплексный коэффициент передачи радиопередающего тракта. С другой стороны, использование в каждом из субпотоков битового пере-межения полученных данных путём демультиплексирования и кодирования последовательного потока определяет, в конечном итоге, и степень подавления избирательных по частоте искажений (при наличии частотно-селективных замираний), отражающихся в комплексном коэффициенте передачи радиопередающего тракта. Фактически, упомянутая устойчивость определяет эффективность функционирования радиоприемного устройства системы, параметры характеристик которого должны быть тонко сопряжены с частотно-временной структурой сигнала передачи и, соответственно, обеспечивать необходимую динамику коррекции искажений принятого радиосигнала.

В связи с этим в работе проведён детальный анализ и определены последовательности операций формирования структуры радиосигнала DVB-T из мультиплексированного транспортного потока MPEG-2, а также специфики построения схем основных функциональных элементов (отдельных устройств) передающего тракта системы ЦТВВ DVB-T. Главные из последних: скремблер, генератор псевдослучайной двоичной последовательности, внутренний и внешний перемежитсли данных, кодер Рида-Соломона и свёрточный кодер, демультиплексор последовательного цифрового потока в параллельные потоки.

С учётом того, что к основным задачам, решаемым в передающей части, относится и собственно преобразование последовательных отсчётов (модуляционных символов) параллельных субпотоков в текущий радиосигнал ООКН, то есть ООН-модуляция, то также подробно рассматриваются задачи, связанные с этим процессом преобразования. Среди них выделяют наиболее важные проблемы такие, как специфика формирования и структура кадра ООН, формирование дискретных и

непрерывных пилот-сигналов, особенности передачи сигналов параметров передачи (СПП), нормировка числа пакетов Рида-Соломона (РС) на каждый суперкадр ООН, получение требуемых спектральных характеристик и спектральной маски радиосигнала ООКН на выходе радиопередающего тракта и т.д.

Проведённый анализ определил основные особенности программной реализации цикла операций по формированию радиосигнала ООКН системы ЦТВВ БУБ-Т.

В результате также выявлено, что ключевым элементом, во многом обусловливающим эффективность процесса обратного преобразования сформированного и переданного по мобильному каналу с многолучевым распространением радиосигнала системы ЦТВВ БУБ-Т, производимого в блоке цифровой обработки демодулятора радиоприёмника, является устройство канальной коррекции (корректор-эквалайзер канала передачи) ООКН-радиосигнала в составе демодулятора. Алгоритм функционирования данного устройства определяет основные параметры качества выполнения коррекции искажений ООКН-радиосигнала, которые, в общем случае, являются индивидуальными для каждой точки его приёма. К таким параметрам, в первую очередь, следует отнести точность выполнения коррекции в условиях относительно высокой динамики изменения во времени уровня, формы, структуры и области локализации в частотном пространстве спектра реальных помех. Не менее важно сохранить точность выполнения коррекции при высокой динамике изменения во времени случайного комплексного коэффициента (комплексной функции) передачи (фединга) мобильного многолучевого канала вещания системы ЦТВВ БУБ-Т.

Вторая глава диссертации «Методы получения величины смещения спектра ООКН-радиосигнала по частоте при отсутствии информации о временной синхронизации» посвящена решению задачи выделения синхроинформации, присутствующей в пилот-сигналах, а также исследованию методов измерения величины начального смещения спектра ООКН-радиосигнала, которое возникает в условиях передачи телевизионного радиосигнала по многолучевому мобильному каналу.

По сути, задачу коррекции динамически меняющихся параметров при приёме радиосигнала ООКН с выхода многолучевого мобильного

канала телевещания можно решить, предварительно скомпенсировав значительное смещение спектра принимаемого радиосигнала ООКН за пределы принятой гауссовской аппроксимации апостериорной плотности вероятности, при помощи системы фазовой автоподстройки (ФАП) частоты или с использованием системы фазовой коррекции (ФК) частоты. При этом информация о временной синхронизации не учитывается.

В содержании первого раздела этой главы рассмотрена схема работы системы фазовой автоподстройки. При этом первоначально определяется функция правдоподобия, местоположение максимума которой позволяет оценивать, с допустимым приближением, искомое смещение частоты, и решается задача выполнения необходимой оценки.

Для варианта системы с фазовой автоподстройкой проведено сопоставление двух алгоритмов оценки смещения частоты:

- последовательного алгоритма (в последовательности смежных периодов),

- параллельного алгоритма (при фиксации периода с дискретным сканированием и интерполяцией уровней функции правдоподобия в пределах заданного частотного диапазона).

В содержании разделов данной главы также рассмотрены: принцип работы алгоритма и блок-схемы устройств оценки смещения час-готы в аналоговом и цифровом исполнении для системы фазовой автоподстройки частоты, схемы выделения смещения частоты (грубой оценки) и системы частотной автоподстройки частоты, способы отслеживания частот. Также проведено сравнение способов измерения смещения частоты (точной оценки): фактической оценки с фиктивной оценкой смещения частоты, приведены результаты сравнения точности отслеживания частоты с модифицированными границами Крамера-Рао и нормализованной дисперсией ошибки для функционала правдоподобия на основе максимума апостериорной плотности вероятности, рассмотрена функциональная блок-схема устройства оценки смещения частоты.

Во втором разделе данной главы анализируется работа цифровой системы фазовой коррекции частоты с учётом помехи соседнего канала, и производится сравнение такой системы с классической системой

фазовой автоподстройки частоты. При этом показано, что описанный в работе метод "задержки и умножения" для получения величины паразитного смещения спектра телевизионного радиосигнала ООКН имеет более короткое время обнаружения изменений частоты и обеспечивает соответствующее увеличение скорости её подстройки.

В третьей главе диссертации «Разработка метода и устройства адаптивной фильтрации элементов структуры радиосигнала ЦТВВ БУБ-Т на основе теории нелинейной фильтрации» рассмотрены варианты динамической коррекции характеристик (параметров) многолучевых каналов передачи ТВ радиосигнала при использовании метода ООН. Решение поставленной здесь задачи осуществляется с учётом результатов, представленных и полученных в соответствующих главах диссертации и в приложении 1 данной работы.

При этом в содержании первого раздела третьей главы представлен сравнительный анализ вариантов коррекции искажений при распространении ТВ радиосигнала по мобильному многолучевому каналу вещания, показана специфика адаптивной фильтрации и градиентного алгоритма для фильтра Винера, построенного согласно уравнению Ви-нера-Хопфа с использованием принципов линейной адаптивной фильтрации. Также выявлено существенное влияние точности текущей оценки параметров канала на характеристики системы ЦТВВ БУБ-Т.

В связи с этим, в содержании последующих разделов данной главы, проведено сопоставление вариантов устройств, производящих текущую оценку параметров канала передачи для радиоприёмника системы ЦТВВ БУБ-Т, представлены способы оптимизации их рабочих характеристик. На основе проводимых операций по коррекции параметров канала, собственно, и определяется применяемая в классическом демодуляторе радиоприёмного устройства системы ЦТВВ БУБ-Т конкретная структура линейного адаптивного фильтра (корректора-эквалайзера). Этот корректор-эквалайзер реализует фильтрацию вышеуказанных параметров в частотной области путём вычисления "быстрой свёртки" (иначе, проведением обратного БПФ от произведения спектров сворачиваемых функций времени) и быстрого обновления последовательных результатов.

В главе рассмотрены источники и характеристики мультипликативных помех в современных системах телевещания. Далее проведён сопоставительный анализ вариантов построения корректоров мультипликативных искажений в многолучевых и/или мобильных каналах распространения ТВ радиосигнала ООКН. На основе результатов анализа предложен новый метод коррекции вносимых при этом в радиосигнал мультипликативных помех (с учётом эффекта Доплера). Сравниваются варианты построения канальных корректоров на базе линейной теории фильтрации (получены ранее) с разработанными в диссертации канальными корректорами на базе нелинейной стохастической теории фильтрации, синтезированные с применением интегральных и рекуррентных дифференциальных уравнений соответственно.

С учётом специфики организации полного радиосигнала ООКН во втором разделе третьей главы разработаны принципы динамической коррекции характеристик многолучевых каналов телевещания. Помимо этого конкретизированы (на основе быстрых алгоритмов) принципы реализации дискретного преобразования Фурье (ДПФ), вычисления спектральной эффективности для метода ООН на входе канала передачи при различных видах модуляции и при транспонировании (переносе) спектра радиосигнала из одного диапазона частот в другой.

Показана специфика оптимальной демодуляции полезных (информативных) составляющих ООКН-радиосигнала с текущей оценкой и компенсацией паразитных параметров, связанных с влиянием вещательного канала и мешающих точной текущей оценке информативных; показаны особенности фильтрации и линейной интерполяции корректирующих частотных отсчётов. Исходя из чего, и обеспечивается в системе ЦТВВ БУБ-Т возможность реализации для каждого из информационных подканалов необходимой коррекции комплексного коэффициента передачи.

Практически, третья глава посвящена разработке одного из основных узлов радиоприёмника по системе ЦТВВ БУБ-Т, обеспечивающего для последней возможность работы в мобильных каналах с многолучевым распространением радиосигнала, который к тому же искажается быстрофедингующими и независимыми состояниями подканалов и большими отклонениями фаз поднесущих. Устройство со-

стоит из банка согласованных нелинейных фильтров (по количеству пилот-сигналов), процессора решения системы дифференциальных уравнений относительно кумулянтов апостериорного распределения плотности вероятности (при её максимуме) и линейных интерполяторов по времени и по частоте. Эта структура позволяет выполнить посимвольное детектирование принятой полезной информации при отслеживании и коррекции мультипликативных искажений в пределах одного символьного интервала.

При этом укрупнённую структурную блок-схему коррекции мультипликативных искажений, вносимых многолучевым мобильным радиочастотным вещательным каналом, можно представить в следующем, удобном для понимания сути проблемы, виде (рис. 1). т т дзд

ООН (OFDM) модулятор \ 1 , Модель многолучевого канала связи Обратный фильтр ! \ ■ ООН (OFDM) демодулятор

1 1 * 1

Рис. 1.

Здесь: OFDM - английское название объединения ортогональных несущих (ООН);

s(k) - радиосигнал ООКН, передаваемый через канал телевещания; z(k) - сумма радиосигнала ООКН и помех (сигнальная смесь):

где п[к) - отсчёты белого аддитивного гауссовского канального шума с двухсторонней спектральной плотностью мощности N„/2, а

(2)

»(*)■= II

Здесь: - комплексная огибающая узкополосного сигнала, несущая полезную информацию; к - порядковый номер отсчёта по времени; I - порядковый номер узкополосного подканала по частоте; Ь, п - общее число узкополосных подканалов и порядковый номер символа радиосигнала ООКН соответственно. Длительность символа определяется величиной - ширина полосы подканала в структуре радиочастотного спектра сигнала ООКН.

Для разработки канального корректора с применением теории нелинейной стохастической фильтрации необходимо получить аналитическое выражение зависимости сигнала от фильтруемых параметров. Выражение адекватное (2) и описывающее реальный (действительный) непрерывный радиосигнал на выходе модулятора ООН, выглядит так:

(сД/) - фазовая составляющая полезной информации для 1-ого подканала спектра радиосигнала ООКН.

В случае многолучевого канала телевещания, в пилот-сигнальных подканалах, узкополосный сигнал представляется соотношением:

в этой формуле аббревиатура "п.с." - пилот-сигнал. Здесь и далее: Я - вектор фильтруемых параметров; С?,(1|1)(/) - огибающая, как случайный процесс-параметр, узкополосного пилот-сигнала радиосигнала ООКН, прошедшего через многолучевой канал передачи;

- фаза, как случайный процесс-параметр, приобретённая пилот-сигналом при прохождении по каналу передачи радиосигнала ООКН из-за нестабильности гетеродинов при транспонировании (переносе) спектра этого радиосигнала и, частично, из-за эффекта Доплера для составляющей, которая обуславливает общее смещение спектра радиосигнала ООКН; - фаза, как случайный процесс-параметр, приобретённая пилот-сигналом в процессе прохождения по федингующему мобильному вещательному каналу (в связи с его влиянием на радиосигнал) и, частично, из-за эффекта Доплера для составляющей, обуславливающей смещение спектра отдельных полос (подканалов) радиосигнала ООКН.

Соотношение для узкополосного сигнала в информационных подканалах на выходе многолучевого канала телевещания несколько отличается:

здесь аббревиатура "и.с." - информационный сигнал.

Распределение плотности вероятности мгновенных значений огибающей б,(«) = 0/(1Д)(/) узко полосного пилот-сигнала радиосигнала ООКН, прошедшего через многолучевой канал передачи, можно описать рэлеевским или райсовским законом. Для рэлеевского канала можно показать, с помощью уравнения Фокера-Планка-Колмогорова (Ф-П-К), что априори нелинейное стохастическое дифференциальное уравнение 1-ого порядка вида:

Л ' п> 4-С,{1) (Л>

(6)

описывает развитие во времени случайного процесса С,(г). В этом уравнении: - порождающий белый гауссовский шум с двухсто-

ронней спектральной плотностью мощности

а - параметр, рав-

ный частоте, на которой спектральная плотность мощности процесса СД() (энергетический спектр) падает до уровня 0,5 относительно постоянной составляющей спектра; -/•0,(1)+-

ЛЬ

4-0, («)

- коэффициент сноса

к

в уравнении Ф-П-К, а - коэффициент диффузии в уравнении Ф-П-К.

Для каждого подканала, выделенного для пилот-сигнала, век-юр фильтруемых параметров записывается так:

здесь: - это задержка, как случайный процесс-параметр, полученная радиосигналом ООКН в процессе распространения по федингую-щему многолучевому каналу телевещания:

где аббревиатура "в.к." - вещательный канал, а Д//(/) - это флуктуации (блуждания) периода функции, описывающей биполярную последовательность видеоимпульсов, следующих с половинной символьной частотой.

Если синхронность и синфазность обработки радиосигнала обеспечена, то вектор фильтруемых параметров преобразуется к виду:

2»о-{С,('М(')}=»{«,('). «.(О). (9)

здесь: - это синфазная (квадратурная) составляющая комплексной огибающей пилот-сигнала, прошедшего через федингующий канал;

- это квадратурная (синфазная) составляющая комплексной огибающей пилот-сигнала, прошедшего через федингующий канал.

Для корректирующего на частоте коэффициента по дискретному пилоту получено апостериорное диффе-

ренциальное уравнение следующего вида:

\

«г

Хг

-

где - периодическая последовательность видеоимпульсов еди-

ничной амплитуды, имеющих квазипрямоугольную форму.

Синтезированный на основе дифференциального уравнения (10) нелинейный фильтр реализует не только устройство текущей оценки (фильтрации) корректирующего отсчёта, но и осуществляет его интерполяционную обработку во времени, обеспечивая формирование комплексных отсчётов частотной характеристики корректирующего фильтра на частотах дискретных пилот-сигналов соответствующих подканалов радиосигнала ООКН системы эфирного наземного ЦТВВ DVB-T. Однако точность этой интерполяции не высока и необходимо уточнение. Ранее в работах по теории нелинейной стохастической фильтрации были получены уравнения для интерполяционной оценки и для её дисперсии, которая согласно тем же работам в два раза меньше, чем дисперсия неуточнённой оценки. Выражения (11) и (12) представляют интерполяционную оценку и её дисперсию:

Примечание: здесь к^-к'Ы^,!) - стационарная дисперсия квазилинейно-уточнённой оценки линейно-интерполированного параметра СЦг-ЬД/^.г), а коэффициент • Кроме того, конечная разность

где - интервал корреляции процесса С'(/)

На рис. 2, представлена функциональная блок-схема соответственно разработанного фильтра для комплексных отсчётов частотной характеристики корректирующего фильтра на частотах дискретных пилот-сигналов подканалов радиосигнала ООКН системы эфирного наземного ЦТВВ БУБ-Т, соответствующая дифференциальному уравнению (10).

Рис. 2.

На рис. 3 представлена разработанная обобщённая функциональная схема корректора-эквалайзера мультипликативных искажений, создаваемых многолучевым каналом телевизионного вещания, спроектированная на основе теории нелинейной стохастической фильтрации. Эта функциональная схема представляет собой двумерный квазинелинейный корректирующий канал телевещания фильтр.

Здесь же производится интерполяция по времени распределенных пилот-сигналов

Примечание к схеме:

надстрочный индекс "к" -обозначает скорректированный сигнал;

FJO^J,) - это видеосигнал, поступающий с демодулятора (БПФ).

Для неэнергетического параметра это сигнал ошибки фильтрации;

FJ!) - ответвлённые и демодулированные (на БПФ) комплексные огибающие пилот-сигналов;

Cfo(t) - это вектор отсчётов частотной характеристики только на частотах пилот-сигналов корректирующего канал связи (вещания) фильтра;

С"(1) - это вектор всех отсчётов частотной характеристики корректирующего канал связи (вещания) фильтра.

Рис. 3.

В четвёртой главе представлены результаты моделирования процесса формирования ТВ радиосигнала в передающей части системы DVB-T и устройства динамической коррекции характеристик многолучевого мобильного канала передачи на ПЭВМ. Разработка моделей устройств осуществлена в среде математического проектирования MATLAB 6.5 и средстве имитации радиотехнических устройств и модулей Simulink 5.0 в его составе. При этом формирователь ООКН-радисигнала практически подготовлен к аппаратной реализации. В частности, полностью завершена разработка программного обеспечения, реализующего стандартизованные операции соответствующего алгоритма формирования радиосигнала ООКН.

В содержании разделов главы представлены экспериментальные результаты диссертации и их сравнение с результатами, полученными на основе теории, специфика проведения расчётов и экспериментальных исследований. Существенное внимание уделяется статистическому математическому моделированию полученного в предыдущих главах диссертационной работы алгоритма цифровой обработки ООКН-радиосигналов и сравнительному анализу эффективности предложенного (разработанного) и традиционного методов коррекции мультипликативных искажений в мобильном многолучевом канале вещания при действии аддитивного белого гауссовского канального шума.

Кроме того, в данной главе представлены результаты разработки одного из узлов приёмопередатчика радиотелефонной связи на основе метода ООН, отражающей вариант частного использования результатов диссертации для решения смежной задачи. С использованием полученных экспериментальных данных в этой главе приведены основные характеристики устройства, а также его технические параметры и практические рекомендации и указания по использованию разработанного устройства в сфере радиотелефонной связи.

Экспериментально реализованы модели подканальных фильтров, корректирующих канал передачи, и приведены соответствующие осциллограммы. Выведены стохастические дифференциальные уравнения для дисперсии апостериорного распределения коэффициентов автокорреляции . Получены решения этих дифференциальных

уравнений для случая стационарности фильтруемых параметров. Экспериментальным путём получены графики зависимости относительной ошибки фильтрации (точности фильтрации) от отношения сигнал-шум (ОСШ) на входе радиоприёмного устройства, и реализован прогноз по коэффициенту битовых и символьных ошибок (КБО и КСО).

В заключении приведены основные выводы по полученным в диссертационной работе результатам.

В приложении 1 «Теоретическое обоснование разработки устройства коррекции искажений для системы ЦТВВ ПУБ-Т на основе теории стохастической нелинейной фильтрации» приведены исходные

теоретические положения и обоснования разработки, использованные автором при работе над диссертацией.

В приложении 2 представлены полученные автором при выполнении данной работы результаты статистического математического моделирования соответствующих алгоритмов и устройств формирования и обработки ООКН-радиосигналов в среде имитации радиотехнических устройств и модулей Simulmk 5.0 пакета математического проектирования MATLAB 6.5.

Основные результаты работы

1. Предложено решение задачи помехоустойчивого радиоприёма сигнала ООКН системы ЦТВВ DVB-T на основе теории нелинейной стохастической фильтрации, обеспечивающее устойчивый приём ООКН-радиосигнала при действии специфических видов искажений и помех, которые характерны для различных моделей реальных каналов телевизионного вещания, обладающее преимуществами по отношению к уже существующим вариантам.

2. Разработан новый метод динамической коррекции характеристик (параметров) мобильного канала телевизионного вещания DVB-T, подверженного мультипликативным искажениям, показана эффективность такого метода.

3. Осуществлена экспериментальная реализация (в результате моделирования) цифрового квазикогерентного фильтра, разработанного на основе теории нелинейной стохастической фильтрации в линейном приближении, с применением быстрых алгоритмов ортогональных преобразований.

4. Разработана методика, получены теоретические и экспериментальные результаты сравнительного анализа помехоустойчивости известных и разработанного методов подавления помех мультипликативного типа в мобильных вещательных каналах с использованием компьютерного моделирования.

5. Реализовано программное обеспечение и осуществлено моделирование передающего устройства системы ЦТВВ DVB-T в части формирования телевизионного ООКН-радиосигнала.

6. Предложен и реализован в виде алгоритма новый метод цифровой динамической коррекции характеристик многолучевого мобильного канала вещания при приёме телевизионного ООКН-радио-сигнала в спектральной области, способный существенно повысить помехоустойчивость телевизионного приёма в соответствии со стандартом ЦТВВ ПУБ-Т.

Список публикаций

1. Грачев А. Ю. Развитие инфраструктуры кабельного телевидения. Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь", №2190 св2001 от 22.05.01, с. 155-158.

2. Грачев А. Ю. Внедрение Интернет-технологий в телевидении и особенности их применения. Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь", №2190 св2001 от 22.05.01, с. 159-160.

3. Грачев А. Ю. Особенности и перспективы развития цифрового стандарта эфирного телевизионного вещания ПУБ-Т. Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь", №2190 св2001 от 22.05.01, с. 161-163.

4. Грачев А. Ю. Качественные характеристики и вопросы применения кабельных модемов в существующих сетях КТВ. Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь", №2232 св2003 от 14.06.03, с. 2-4.

5. Грачев А. Ю. Способы и принципы синхронизации в системах цифрового телевидения. Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь", №2241 св2004 от 04.07.04, с. 42-44.

6. Грачев А. Ю. Особенности измерения параметров цифровых телевизионных радиопередатчиков эфирного наземного телевещания. - М.: Научно-технический журнал «Метрология и измерительная техника в связи», №4, 2003. - с. 30-36.

7. Захаров А. Е., Козаренко В. А., Грачев А. Ю. Система линеаризации параметров телевизионного передатчика. // Материалы 8-ой научно-технической конференции «Современное телевидение». -М.: НПО "Электрон", 2000. - с. 59.

8. Грачев А. Ю. Особенности и перспективы развития цифрового стандарта эфирного телевизионного вещания ПУБ-Т. // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподава-

тельского, научного и инженерно-технического состава. - М.: МТУСИ, 2001.-с. 153-155.

9. Грачев А. Ю. Развитие инфраструктуры кабельного телевидения. // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. - М.: МТУСИ, 2001. - с. 155-157.

10. Грачев А. Ю. Внедрение Интернет-технологий в телевидении и особенности их применения. // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. - М.: МТУСИ, 2001. - с. 158-159.

11. Ульянкин С. В., Грачев А. Ю. Измерение частотных характеристик в видеотрактах современных систем телевидения. // Материалы V Международного конгресса HAT «Прогресс технологий телерадиовещания». - М.: 2001. - с. 268-271.

12. Алёшкин В. Н., Грачев А. Ю. Использование преобразования Фурье в системах с OFDM-модуляцией. // Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применения». - М.: 2002. - ч. 1.-с. 12-15.

13. Грачев А. Ю. Качественные характеристики и вопросы применения кабельных модемов в существующих сетях КТВ. // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. - М.: МТУСИ, 2003.-е. 62-64.

14. Грачев А. Ю. Способы и принципы синхронизации в системах цифрового телевидения. // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. - М.: МТУСИ, 2004. - с. 130-131

Подписано в печать П.04.05г.Формат 60x84/16.Объем 1,6 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ 143.

000 "Инсвязьиздат". Москва, ул. Авиамоторная, 8.

даЦВвМЛЬ«-' )

« V

09 ИЮН 2005

1000

Введение.

Глава 1. ЭЛЕМЕНТЫ КАНАЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ И МОДУЛЯЦИИ В СИСТЕМЕ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ ЕВРОПЕЙСКОГО СТАНДАРТА ETSI EN 300 744 (DVB-T).

1.1. Базовая система цифрового эфирного наземного телевизионного вещания DVB-T, основные положения и сопряжение.

1.2. Канальное кодирование и модуляция в DVB-T.

1.3. Структура кадра объединения ортогональных несущих.

1.4. Пилот-сигналы в DVB-T.

1.5. Передача сигналов параметров передачи.

1.6. Число пакетов Рида-Соломона на суперкадр объединения ортогональных несущих в DVB-T.

1.7. Спектральные характеристики и спектральная маска ф радиосигнала системы цифрового телевидения DVB-T.

1.8. Моделирование базовой системы цифрового эфирного наземного телевещания DVB-T, работающей по 8 МГц каналам.

1.9. Рекомендации по реализации излучаемого радиосигнала.

1.10. Краткое представление и сравнение основных технических особенностей стандартов DVB-T и ATSC.

1.11. Выводы.:.

Глава 2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ СМЕЩЕНИЯ

СПЕКТРА ООКН-РАДИОСИГНАЛА ПО ЧАСТОТЕ ПРИ ОТСУТСТВИИ ИНФОРМАЦИИ О ВРЕМЕННОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ.

2.1. Восстановление параметров телевизионного радиосигнала ООКН без учёта информации о временной синхронизации при помощи системы фазовой автоподстройки частоты.

2.1.1. Применение функции правдоподобия для поиска значения частоты синхронизации.

2.1.2. Блок оценки частоты синхронизации для системы фазовой автоподстройки частоты. 2.1.3. Выделение, измерение и отслеживание частоты синхронизации.

2.1.4. Варианты детекторов частотных ошибок и сравнительный анализ с модифицированными границами Крамера-Рао.

2.2. Восстановление параметров телевизионного радиосигнала ООКН без учёта информации о временной синхронизации при помощи системы фазовой коррекции частоты.

2.2.1. Применение метода "задержки и умножения" для восстановления параметров телевизионного радиосигнала.

2.2.2. Цифровое исполнение алгоритма работы системы фазовой коррекции.

2.2.3. Пояснение эффекта помехи соседнего канала.

2.3. Выводы.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И УСТРОЙСТВА АДАПТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ СТРУКТУРЫ РАДИОСИГНАЛА СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВЕЩАНИЯ DVB-T НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ НЕЛИНЕЙНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ.

3.1. Коррекция многолучевых каналов распространения телевизионного радиосигнала при использовании метода объединения ортогональных несущих.

3.1.1. Принципы адаптивной фильтрации и градиентного алгоритма.

3.1.2. Алгоритм работы адаптивного фильтра в частотной области и способ вычисления "быстрого обновления".

3.2. Коррекция многолучевых стационарных и мобильных каналов цифрового телевещания DVB-T с применением теории нелинейной фильтрации.

3.3. Выводы.

Глава 4. ВОПРОСЫ РАСЧЁТА, ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

4.1. Функциональное описание схемы демодулятора ООН системы цифрового эфирного наземного телевещания DVB-T.

4.2. Схема и алгоритм программного управления демодулятором ООН системы телевещания DVB-T.

4.3. Сопряжение и интерфейсы системы телевещания DVB-T.

4.4. Устройства канальной оценки для системы с ООН, подходящей для мобильной связи.

4.5. Упрощённая экспериментальная математическая модель приёмопередатчика системы цифрового телевидения DVB-T, реализующая алгоритмы построения телевизионной системы стандарта ETSI EN

4.6. Выводы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Начало эфирного наземного телевизионного вещания в цифровом формате является большим технологическим успехом. Сейчас в России настало время, когда страна должна пройти несколько этапов перехода на цифровое телевизионное вещание. Премьер-министр РФ Михаил Фрадков 26 мая 2004 года подписал распоряжение, подтверждающее переход России на европейскую систему цифрового телевизионного вещания (ЦТВВ) DVB (Digital Video Broadcasting, англ.) уже с 2005 года. Таким обра-<♦ зом, Правительство РФ приступило к реализации «Концепции внедрения в

России цифрового наземного телевизионного и радиовещания» (утверждена на заседании коллегии Минсвязи РФ в начале декабря 2003 года), согласно которой к 2015 году всё телевидение России должно быть только цифровым.

На заседании коллегии Минсвязи РФ были представлены результаты анализа находящихся в эксплуатации и прошедших международную стандартизацию систем цифрового эфирного наземного телевидения: европейской системы DVB-T (Digital Video Broadcasting — Terrestrial, англ.), американской ATSC (Advanced Television Systems Committee, англ.) и японской ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial, англ.). Было принято решение определить в качестве основы национального стандарта цифрового телевидения в Российской Федерации европейскую систему DVB-T. Следует отметить, что существует три стандарта DVB: DVB-T - на цифровое эфирное наземное телевещание, DVB-S (Digital Video Broadcasting — Satellite, англ.) -на цифровое эфирное спутниковое телевещание, DVB-C (Digital Video Broadcasting - Cable, англ.) - на цифровое кабельное телевидение.

При окончательном введении нового стандарта на ЦТВВ произойдет полная замена студийного и передающего оборудования и, что весьма важно для потребителя - замена бытовых телевизоров в стране на цифровые модели. Также будет возможно применение специальных декодеров системы DVB - STB (Set-Top-Box, англ.) для приёма цифровых программ на классические аналоговые телевизоры.

Индивидуальный телевизионный приемник будущего, фактически, будет являться терминалом, включающим в себя приемники эфирного наземного и спутникового, а также кабельного телевидения, компьютер с большим объемом памяти, аппаратуру обработки видео и звуковой информации, интерфейсы линий коммуникаций. При этом система доставки телевизионных изображений должна обеспечивать высокую помехоустойчивость при передаче радиосигналов последних и быть совместима с существующим планом распределения частот радиоканалов, кроме того, позволять вести прием видеоинформации на телевизионные приёмники, установленные на подвижных объектах или носимые. Необходимо учитывать и соблюдение современных требований к электромагнитной совместимости (ЭМС) различных передат-# чиков. Всем этим необходимым требованиям удовлетворяет система эфирного наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T.

Большинство телевизионных систем функционирует в условиях относительно высокой сложности помеховой обстановки и под влиянием различного рода шумов. Наблюдается действие всех видов помех: флуктуационных, сосредоточенных, импульсных (в том числе, внутрисистемных); различного влияния шумов, то есть их воздействия — аддитивного и в некоторых случаях мультипликативного. Имеет место также наличие эхо-сигналов (переотражения, преломления и, как следствие, многолучёвость распространения) при приеме в городских условиях (многоэтажность, препятствия, преграды), при малых высотах подъёма приёмных телевизионных антенн. Кроме того, необходимо обеспечить прием телевизионного радиосигнала системы ЦТВВ DVB-T на подвижных объектах.

В то же время, специфика функционирования системы ЦТВВ DVB-T предъявляет повышенные требования к характеристикам как радиопередающего, так радиоприёмного устройств. При этом формирование выходного радиосигнала в передающей части системы конкретизируется европейским стандартом DVB-T - ETSI EN 300 744 v. 1.4.1 [22], а аналогичных рекомендаций и указаний по построению радиоприёмных трактов стандарт DVB-T не содержит. Учитывая, что в соответствии с указанной Концепцией полный переход к цифровому телевещанию в РФ намечен на 2015 год, то имеет смысл решать задачи по исследованию и разработке способов реализации структуры радиоприёмных устройств и их отдельных элементов на основе рекомендаций стандарта DVB-T.

Важнейшим элементом радиоприёмного устройства DVB-T в составе демодулятора является канальный фильтр, необходимый для динамической коррекции характеристик канала передачи. Классическим цифровым корректирующим канальным фильтром, применяемым для радиоприёмных устройств DVB-T, является фильтр Винера, который строится согласно уравнению Винера-Хопфа с использованием принципов линейной адаптивной фильтрации (то есть градиентного алгоритма или "быстрой свёртки" — операция выполнения обратного быстрого преобразования Фурье от произведения спектров сворачиваемых функций времени). Но традиционный подход к решению задачи по фильтрации параметров (характеристик) канала телевещания в части компенсации искажений мультипликативного типа не совсем адекватен условиям, при которых решается такая задача, и поэтому имеет некоторые потенциальные возможности для совершенствования. Например, при традиционном подходе необходимо использовать большие объёмы вычислений и значительную оперативную память, что заставляет применять высокопроизводительные, ресурсоёмкие и, соответственно, более дорогие сигнальные микропроцессоры.

Кроме того, указанный фильтр обеспечивает оптимальную фильтрацию в смысле минимума среднеквадратической ошибки (исходя из критерия минимальной среднеквадратической ошибки) лишь при соблюдении довольно жёстких ограничений, часто неприемлемых и невыполнимых на практике. Главными из них являются: линейность развития во времени фильтруемого параметра и линейность зависимости принимаемой суммы радиосигнала и помех (то есть смеси радиосигнала и помех на входе приёмника) от этого параметра, стационарность передаваемого и принимаемого процессов и, в идеале, хранение всей предыстории обрабатываемой корректирующим канальным фильтром реализации радиосигнала (бесконечная задержка обрабатываемой реализации радиосигнала). Однако при решении такой задачи фильтрации можно добиться более качественных результатов.

Эффективное в экономическом и технологическом плане решение задачи создания высококачественного радиоприёмного устройства (проектирования радиоприёмного тракта) устойчивого к воздействию помех и шумов канала передачи для системы ЦТВВ DVB-T возможно также с использованием теории стохастической нелинейной фильтрации (ТСНФ). Её основы были заложены А. Н. Колмогоровым, Н. Винером, Р. Л. Стратоновичем, В. И. Тихоновым, Р. Калманом, Р. Бьюси, Г. Кушнером, М. Вонхамом и другими учёными.

Накладываемое методами теории оптимальной нелинейной фильтрации ограничение (передаваемые по каналу телевизионного вещания сообщения, а также помехи в нём должны быть марковскими процессами) не является жёстким, так как реальные случайные процессы можно аппроксимировать многомерными марковскими процессами с требуемой точностью, а всякий случайный процесс, спектральная плотность мощности которого представляется при помощи дробно-рациональной функции, является компонентой многомерного марковского процесса. Однако решение задачи динамической оценки параметров канала и динамической коррекции его характеристик с помощью теории нелинейной фильтрации в общем виде отличается чрезмерной сложностью как теоретической, так и практической. Поэтому данная задача в диссертации решается в линейном приближении (финальная апостериорная плотность вероятности аппроксимируется гауссовским законом распределения) и с использованием предположения о том, что синхронность и синфазность обработки сигналов идеально обеспечена. При этом стоит отметить, что линейное приближение определяет устойчивость работы всей совокупности операций алгоритма только при небольших отклонениях оцениваемых параметров гауссовской апостериорной плотности вероятности от истинных значений. При существенном возрастании отклонений, например, при значительном начальном смещении спектра за счёт доплеровского сдвига, нестабильностях возбудителя передатчика и гетеродинов приёмника, будут наблюдаться срывы синхронизации и значительное (часто неприемлемое) увеличение коэффициента ошибок и, как следствие, неправильный приём символов (неправильная демодуляция).

Уже существующий уровень развития микропроцессорной техники и методов цифровой обработки сигналов реально обеспечивает техническую возможность создания эффективного радиоприёмного устройства на основе теории нелинейной фильтрации. Основными достоинствами методов марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации применительно к синтезу радиоприёмного устройства системы ЦТВВ DVB-T являются следующие: задачу синтеза радиоприёмного устройства можно решить и в дискретном, и в непрерывном варианте обработки согласно её смыслу; => структура радиоприёмного устройства, получаемая с помощью теории стохастической нелинейной фильтрации, практически реализуема и обеспечивает минимальные ошибки измерения; => алгоритмы, получившиеся в результате синтеза радиоприёмного устройства, имеют удобное для реализации на сигнальном микропроцессоре представление в виде рекуррентных (а не интегральных, как в случае фильтра Винера) соотношений, что сокращает объём вычислений и повышает их точность, а также уменьшает требуемый объём накопителей; => синтезированное методами ТСНФ радиоприёмное устройство обрабатывает принимаемые сигналы по мере их поступления в реальном масштабе времени, что также в лучшую сторону отличает синтезированные нелинейные фильтры от традиционного для этих целей фильтра Винера.

Решение рассматриваемой проблемы в технике обработки сигналов пока ещё слабо развито, но уже получает теоретическое и практическое обоснование во многих зарубежных работах. Исследованные к настоящему времени преобразования в спектральной области эффективно применяются в технике обработки изображений, потокового видео и речевых сигналов (в том числе, звукового сопровождения).

Аппарат теории условных марковских процессов позволяет создать радиоприёмное устройство наиболее адекватное стандарту DVB-T. Так как DVB-T - когерентная система, то, следовательно, наиболее эффективным телевизионным приёмником является когерентный приёмник (или близкий к нему по принципу - квазикогерентный). Именно такой квазикогерентный алгоритм обработки принимаемого радиосигнала и даёт теория нелинейной стохастической фильтрации, даже в случае решения задачи в линейном приближении (посредством робастных методов).

Следует, в связи с этим, отметить, что в период 1998-2004 гг. за рубежом появились работы по созданию алгоритма динамической оценки характеристик (параметров) федингующего многолучевого канала телевещания с помощью теории нелинейной стохастической фильтрации при приёме радиосигналов с объединением ортогональных несущих (ООН). Это, например, работы португальских учёных F. D. Nunes'a и Jose М. N. Leitao. Они убедительно показали преимущества нелинейного фильтра перед нестационарным расширенным фильтром Калмана-Бьюси, а, следовательно, и перед стационарным фильтром Винера, используемым для уже существующих телевизионных приставок (Set-Top-Box'ах) и приёмников системы эфирного наземного ЦТВВ DVB-T. В этих работах также не обходится без аппроксимации апостериорной плотности вероятности. Апостериорная плотность вероятности, в данном случае, представлена произведением тихоновской и гауссовской функций, параметры которых вычисляются согласно критерию минимального расстояния Кульбака. Соответственно, не вызывает сомнений тот факт, что целесообразно проводить оценку параметров федингующего телевизионного канала вещания для радиосигнала системы ЦТВВ DVB-T на приёмной стороне на основе принципов нелинейной стохастической фильтрации по соответствующим им алгоритмам.

Применение быстрого преобразования Фурье (БПФ) на приёме позволяет обеспечить цифровую обработку необходимого количества поднесущих (6817 комплексных поднесущих в 8К режиме излучения и 1705 - в 2К режиме излучения) в радиоприёмном устройстве с помощью незначительно ресурсоёмкого и, соответственно, достаточно дешёвого сигнального микропроцессора. Это, несомненно, является существенным достоинством подобного варианта обработки радиосигнала с объединением ортогональных кодированных несущих (ООКН). Другой подход был бы практически нереализуем. При конкретизации структуры и отдельных элементов демодулятора, разработанного на основе теории нелинейной стохастической фильтрации для системы эфирного наземного ЦТВВ DVB-T, большое внимание уделяется проблеме сопряжения БПФ с элементами помехоустойчивой обработки принимаемого телевизионного ООКН-радиосигнала.

Решению указанных задач посвящено основное содержание представленной диссертационной работы. Проделанная работа отражает результаты проведённых исследований в части разработки адаптивных устройств радиоприёма сигнала с ООН для системы ЦТВВ DVB-T по каналам метрового и дециметрового диапазонов в условиях многолучевого распространения, с присутствием межсимвольной и межканальной интерференции, замираний, под влиянием сложной помеховой обстановки и при наличии эффекта Доплера. Результаты разработки нового корректирующего канального фильтра в своей совокупности отражают качественное повышение эффективности функционирования элементов и устройств системы ЦТВВ DVB-T, обеспечивают более устойчивую работу системы эфирного наземного ЦТВВ DVB-T на многолучевых мобильных каналах вещания при действии наиболее часто встречаемых в мобильном вещательном телевизионном канале мультипликативных искажений.

В представленной диссертационной работе на базе ТСНФ разработан один из основных блоков демодулятора радиоприёмного устройства DVB-T. Этим блоком в составе последнего является фильтр, необходимый для динамической коррекции характеристик и отслеживания параметров канала передачи. Разработанный блок, выполняющий функцию корректора-эквалайзера многолучевого стационарного и/или мобильного канала вещания, обеспечивает устойчивую работу системы при действии наиболее часто встречаемых в мобильном вещательном телевизионном канале мультипликативных искажений с учётом аддитивного шума. Помимо этого решены специфические задачи, связанные с многолучёвостью распространения телевизионного радиосигнала DVB-T, замираниями (федингом) и особенностями мобильного канала телевещания (эффектом Доплера).

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов цифрового формирования и обработки радиосигналов с объединением ортогональных кодированных несущих в спектральной и временной областях на основе теории нелинейной стохастической фильтрации, обеспечивающих улучшение качественных показателей функционирования системы ЦТВВ DVB-T, и проектирование соответствующих им устройств, применяемых для борьбы со сложными видами мультипликативных и аддитивных помех в многолучевых радиоканалах стационарного и мобильного телевизионного вещания.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследований в работе решаются следующие задачи: анализ и моделирование процесса формирования телевизионного (ТВ) . радиосигнала ООКН в передающей части системы эфирного наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T применительно к разработке в диссертации корректора-эквалайзера канала телевизионного вещания, размещённого в демодуляторе радиоприёмного устройства; конкретизация характеристик и параметров многолучевого приёма радиосигнала эфирного наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T в реальных стационарных и мобильных радиоканалах вещания с учётом действия помех и шумов; => разработка алгоритма коррекции ТВ радиосигнала ООКН на выходе многолучевого канала вещания на основе теории стохастической нелинейной фильтрации средствами цифровой обработки сигналов с применением алгоритмов быстрых ортогональных преобразований; => сравнительный анализ эффективности применения разработанных алгоритмов подавления сложных мультипликативных и аддитивных помех и шумов в реальных каналах гауссовского, райсовского и рэлеев-ского типов.

Методы исследования.

Основная часть диссертационной работы выполнена с привлечением методов статистической теории связи (статистического анализа и синтеза радиотехнических устройств и систем), теории функций и функционального анализа, теории вероятностей и математической статистики. Помимо этого были использованы некоторые элементы теории оптимизации стохастических систем и принципов когерентной связи.

Все расчёты получены с использованием численных методов, реализованных на персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ), построенном на базе платформы Intel Pentium 4, с помощью пакета математического проектирования MATLAB 6.5 и средства имитации радиотехнических устройств и модулей Simulink 5.0, а также описания программных моделей на языке высокого уровня.

Обоснованность основных научных положений и исследований, рекомендаций и выводов, сделанных в диссертационной работе, подтверждается проведенными экспериментами и статистическим математическим моделированием на ПЭВМ в среде имитации радиотехнических устройств и модулей Simulink 5.0, работающей под управлением системы математического проектирования MATLAB 6.5.

Научная новизна работы.

Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в следующем: предложено решение задачи помехоустойчивого приёма ООКН-радиосигнала системы цифрового телевещания DVB-T (на основе ТСНФ), обеспечивающее устойчивый его приём при действии специфических видов искажений и помех, характерных для различных моделей реальных каналов вещания, и обладающее преимуществами по отношению к уже существующим вариантам; разработан новый метод динамической коррекции характеристик (параметров) многолучевого мобильного канала вещания системы цифрового телевидения DVB-T, подверженного мультипликативным искажениям, и показана эффективность такого метода; осуществлена экспериментальная реализация цифрового квазикогерентного фильтра (корректора-эквалайзера мультипликативных искажений), разработанного на основе теории нелинейной стохастической фильтрации (в линейном приближении) с применением быстрых алгоритмов ортогональных преобразований; разработана методика и получены результаты сравнительного анализа (с использованием компьютерного моделирования) помехоустойчивости известных и разработанного методов подавления помех мультипликативных типа.

Личный вклад. Теоретические и экспериментальные исследования, расчёты и выводы, изложенные в диссертационной работе, выполнены и получены автором лично.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Проведённый анализ специфики функционирования радиопередающего устройства позволил реализовать программное обеспечение и осуществить математическое моделирование передающего устройства системы DVB-T в части формирования телевизионного ООКН-радиосигнала в среде имитации радиотехнических устройств и модулей Simulink 5.0 системы математического проектирования MATLAB 6.5.

В работе предложен и реализован в виде алгоритма новый метод динамического отслеживания параметров и цифровой динамической коррекции характеристик многолучевого мобильного радиоканала вещания в спектральной области при приёме телевизионного ООКН-радиосигнала, способный существенно повысить для телевизионного приёма в соответствии со стандартом DVB-T помехоустойчивость и другие основные показатели качества. По существу, такими показателями качества в системе ЦТВВ DVB-T являются коэффициенты битовых и символьных ошибок (КБО и КСО), средняя вероятность принятия ошибочного символа, а также зависимость точности выполнения фильтрации от отношения сигнал-шум (ОСШ) на входе радиоприёмника. Преимущества предложенного метода доказаны статистическим математическим моделированием.

Разработанный в диссертации метод подавления помех, соответствующее алгоритмическое и программное обеспечения, а также результаты его моделирования используются в НИЧ МТУСИ при разработке оригинального программно-аппаратного блока устройства обработки информации связи (УОИС) для переносной радиостанции.

Вышеуказанные методы приняты для практического использования в сфере радиотелефонной связи.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами, находящимися в приложении к диссертационной работе.

Апробация результатов работы.

Основное содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждалось на следующих научно-технических конференциях и конгрессах:

•S V Международный конгресс HAT «Прогресс технологий телерадиовещания» (TRBE-2001) (Москва, 2001 г.);

S IV Международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и её применения» (DSPA-2002) (Москва, 2002 г.);

•S Научно-технические конференции МТУСИ профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава (Москва, 2001, 2003, 2004 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации, а также результаты теоретических и экспериментальных научных исследований отражены в 14 опубликованных работах. Публикации включают 8 тезисов докладов и 6 статей. Большинство опубликованных работ авторские.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 230 страницах текста с 90 иллюстрациями и 30 таблицами. Список литературы насчитывает 100 наименований. Общий объём работы с приложениями составляет 260 страниц.

4.6. Выводы.

1. Осуществлена практическая реализация цифрового квазикогерентного фильтра, разработанного на основе теории нелинейной стохастической фильтрации в линейном приближении, с применением быстрых алгоритмов ортогональных преобразований, которая показала соответствие полученных экспериментальным путём результатов теоретическим положениям диссертационной работы.

2. Разработанный методика оценки степени подавления сложных мультипликативных помех и шумов в демодуляторе радиоприёмного устройства позволяет осуществить сравнительный анализ различных вариантов решения задачи канальной коррекции по помехоустойчивости на основе компьютерного моделирования.

3. Реализованное программное обеспечение и радиотехническое моделирование передающего устройства системы ЦТВВ DVB-T в части формирования телевизионного ООКН-радиосигнала показало соответствие характеристик и параметров моделируемых элементов и устройства в целом заданным (стандартом) требованиям.

4. Предложенный и реализованный в виде алгоритма новый метод цифровой коррекции динамических характеристик многолучевого мобильного канала вещания при приёме телевизионного ООКН-радиосигнала в спектральной области способен существенно повысить помехоустойчивость телевизионного приёма в соответствии со стандартом на цифровое эфирное наземное телевещание DVB-T и обеспечить необходимую степень подавления помех динамического типа.

5. Проведённое экспериментальное исследование показала эффективность использования нового метода подавления помех при реализации оригинального программно-аппаратного блока устройства обработки информации связи (УОИС) для переносной радиостанции.

Заключение

В заключении сформулированы основные результаты работы, итоговые выводы по полученным результатам, а также подведён итог сравнительного анализа предложенного в диссертации и традиционного подходов к рассматриваемой в работе проблеме динамической канальной коррекции и задачам её решающей. Выделены основные показатели системы, отвечающие за качество доставки радиосигнала системы цифрового телевидения DVB-T до приёмного устройства. Показано повышение качества передачи за счёт улучшения качественных показателей функционирования системы при использовании в разработанных устройствах новых методов канальной коррекции.

В результате сравнительного анализа характеристик мультипликативных помех, приводящих к мультипликативным искажениям телевизионного радиосигнала ООКН (DVB-T), большие трудности вызывает их подавление путём применения интегральной линейной фильтрации. Кроме того, в связи с увеличением рабочих скоростей передачи цифрового телевизионного радиосигнала DVB-T и соизмеримостью длительностей мешающих (помеховых) импульсов и элементов радиосигнала DVB-T эти помехи относятся к специфическому классу. Они оказывают на передачу как дискретных, так и непрерывных радиосигналов основное мешающее действие. Показано, что в условиях решаемой в диссертации задачи мультипликативные помехи можно принять за частный вид такой специфической помехи. Из анализа различных подходов к решению задач обработки радиосигналов в каналах передачи с такими видами помех выяснено, что наиболее подходящей моделью для решения поставленных в этой работе задач является модель мультипликативной помехи с ортогональными спектральными составляющими. Установлено, что для обеспечения эффективности подавления описываемого вида помех предлагаемый метод борьбы с ними, помимо простой технической реализации, имеет целый ряд возможностей по подавлению наиболее широкого класса помех, и обеспечивает раздельное их подавление с учётом специфики.

На основе результатов сравнительного анализа предлагаемого и используемого ныне метода борьбы с мультипликативными помехами при передаче радиосигнала ООКН через мобильный вещательный канал сделан вывод, что определённое увеличение эффективности борьбы при обработке сигнальной смеси на выходе канала в сторону приёмного тракта может существенно повлиять на целесообразность применения существующего метода борьбы. Установлено также, что для помех, спектр которых уже спектра телевизионного радиосигнала или соизмерим с ним, обработку (отслеживание, обнаружение и текущую оценку) сигнальной смеси целесообразно проводить в частотной (спектральной) области. Сам процесс такой обработки должен удовлетворять требованиям обратимости, эффективной селективности и простоты технической реализации.

Выяснено также, что подобным требованиям в максимальной степени удовлетворяет нелинейный фильтр, работающий в линейном приближении (аппроксимация с применением робастных методов), переходная характеристика которого описывает эволюцию импульса в среде с распределёнными » параметрами и обеспечивает коррекцию импульсов определённой амплитуды без затрагивания структуры телевизионного радиосигнала с объединением ортогональных кодированных несущих. Разрабатываемый нелинейный фильтр обладает фазовой характеристикой, зависящей от эволюции огибающей суммы радиосигнала и помех.

Для проектируемого нелинейного фильтра применены математические модели в форме стохастических дифференциальных уравнений, описывающих параметры канала вещания априори, а также на их основе (с использованием стохастической теории нелинейной фильтрации) получены апостери-« орные дифференциальные уравнения параметров канала.

Выявлены теоретические оценки коррекции спектров импульсов и устойчивости характеристик нелинейного фильтра к флуктуациям огибающей и параметров спектров, а также теоретические оценки вероятностей ошибок при приёме дискретных сигналов с использованием разработанного метода стохастической нелинейной фильтрации. Эти результаты подтверждают сделанное ранее предположение об эффективности применения данного нелинейного фильтра для подавления мультипликативных искажений канала передачи при многолучевом распространении телевизионного радиосигнала в формате стандарта цифрового телевизионного вещания DVB-T с учётом его приёма на подвижные объекты. Ф Для нелинейного метода получена простая дискретная модель, на основе которой он может быть реализован в виде цифрового нелинейного стохастического фильтра. Разработаны структурная схема нелинейного фильтра и алгоритм цифровой обработки сигналов с применением быстрых алгоритмов ортогональных преобразований.

Разработан метод параметрической оптимизации нелинейного фильтра для импульса с детерминированными параметрами, обеспечивающий оптимальную (по критерию максимума апостериорной плотности вероятности ошибочного приёма символа) коррекцию федингующих параметров канала телевещания при текущей оценке корректирующих коэффициентов.

Получены выражения преобразования плотности вероятности сигналь

• ной смеси в блоке селекции нелинейного фильтра, на основе которых проведена оптимизация методов селекции.

Разработана программа моделирования приёма телевизионных радиосигналов в мобильном вещательном канале с мультипликативными искажениями с использованием нелинейного фильтра, на основе которых проведено статистическое моделирование метода.

Оценки эффективности использования этого метода для борьбы со сложными мультипликативными искажениями в мобильном вещательном радиоканале, полученные в результате моделирования, оказываются близкими к полученным ранее теоретическим результатам. Кроме того, получены вероятности ошибок при совокупном действии одиночной импульсной поме

• хи и одиночной сосредоточенной помехи, учёте замираний (фединге) канала передачи и межсимвольных искажений. Результаты этого исследования подтверждают сделанный ранее вывод об эффективности применения этого метода и показывают его эффективность в реальных каналах вещания.

В итоге была рассчитана экономическая и технологическая эффективность и выделены основные технико-экономические показатели полученного нового метода коррекции динамических характеристик мобильного ТВ радиоканала системы ЦНТВ DVB-Т, подверженного мультипликативным искажениям и доплеровскому смещению частоты.

При оптимальной демодуляции полезных (информативных) составляющих радиосигнала ООКН производится текущая оценка непосредственно корректирующих параметров, связанных с влиянием вещательного канала и мешающих точной текущей оценке информативных, и показаны особенности фильтрации и линейной интерполяции корректирующих частотных отсчётов. Исходя из этого, и обеспечивается в системе ЦТВВ DVB-Т возможность реализации для каждого из информационных подканалов необходимой динамической коррекции коэффициента передачи.

Предложено решение задачи помехоустойчивого приёма радиосигнала DVB-Т на основе теории нелинейной стохастической фильтрации, обеспечивающее устойчивый приём радиосигнала системы ЦТВВ DVB-Т при действии специфических видов искажений и помех, которые характерны для различных моделей реальных каналов телевизионного вещания, обладающее преимуществами по отношению к уже существующим вариантам.

Чтобы подытожить диссертационную работу обобщим и приведём её основные теоретические и практические результаты, полученные в процессе решения поставленных в диссертации проблем и соответствующих им задач:

1. Предложено решение задачи помехоустойчивого радиоприёма сигнала ООКН системы ЦТВВ DVB-Т на основе теории нелинейной стохастической фильтрации, обеспечивающее устойчивый приём ООКН-радиосигнала при действии специфических видов искажений и помех, которые характерны для различных моделей реальных каналов ТВ вещания, обладающее преимуществами по отношению к уже существующим вариантам.

2. Разработан новый метод динамической коррекции характеристик (динамической оценки параметров) мобильного канала наземного телевизионного вещания DVB-Т, подверженного мультипликативным искажениям, показана эффективность такого метода.

3. Осуществлена экспериментальная реализация (в результате моделирования) цифрового квазикогерентного фильтра, разработанного на основе теории нелинейной стохастической фильтрации в линейном приближении, с применением быстрых алгоритмов ортогональных преобразований.

4. Разработана методика, получены теоретические и экспериментальные результаты сравнительного анализа помехоустойчивости известных и разработанного методов подавления помех мультипликативного типа в мобильных вещательных каналах с использованием статистического математического моделирования на ПЭВМ в среде имитации радиотехнических устройств и модулей Simulink системы математического проектирования MATLAB.

5. Реализовано программное обеспечение и осуществлено моделирование передающего устройства системы ЦТВВ DVB-T в части формирования телевизионного ООКН-радиосигнала.

6. Предложен и реализован в виде алгоритма новый метод цифровой динамической коррекции характеристик многолучевого мобильного канала вещания при приёме телевизионного ООКН-радио-сигнала в спектральной области, способный существенно повысить помехоустойчивость телевизионного приёма в соответствии со стандартом ЦТВВ DVB-T.

В настоящей диссертационной работе был разработан эквалайзер, динамически корректирующий характеристики и динамически оценивающий параметры радиоканала наземного телевизионного вещания под цифровую систему телевидения европейского стандарта DVB-T, обладающий преимуществами по сравнению с традиционным подходом к решению этой задачи.

Таким образом, стоит отметить, что в любой цифровой системе телевидения, как области техники, операции обработки, консервации и передачи сигналов телевизионных программ связаны с их преобразованием в цифровую форму. На основании этого, в практике телевидения под системой ЦТВВ, в общем случае, подразумевается совокупность характеристик и параметров, определяющих способ кодирования информации о передаваемых изображениях в цифровой телевизионный сигнал и её обработку в цифровой форме. Одной из важных и сложных задач при внедрении системы цифрового телевидения является изыскание эффективных методов передачи цифровых сигналов телевизионных программ в наземной передающей сети с учетом жестких ограничений в радиочастотных каналах, вызванных недостаточной шириной частотных диапазонов, выделенных для эфирного наземного телевещания при постоянно увеличивающемся количестве телепрограмм.

В связи с выработкой и принятием стандартов для цифровой передачи видеоинформации посредством трех основных сред распространения телевизионного сигнала в диссертации были поставлены задачи по созданию эффективных устройств, которые позволяли бы осуществлять все необходимые преобразования над телевизионными сигналами в формате, соответствующем стандарту DVB-T. Наиболее важной для внедрения и трудоемкой в связи с особенностями распространения телевизионного сигнала в наземной среде стала задача по разработке устройства формирования и эффективной обработки сигнала телевизионных программ для их последующей передачи через наземные сети телевизионного вещания.

На основе разработанного в настоящей диссертации метода подавления сложных мультипликативных помех и аддитивного шума было построено соответствующее устройство фильтрации, корректор-эквалайзер, предназначенный для динамической коррекции характеристик (динамической оценки параметров) вещательного федингующего канала (канала с замираниями) имеет законченный вариант исполнения и пригодно для использования в составе системы цифрового эфирного наземного телевизионного вещания, построенной по стандарту DVB-T. Прототипы таких систем в составе современных сетей телевидения существуют в странах Европы уже сейчас.

1.. Тихонов В. И., Кульман Н. К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный приём сигналов. — М., «Советское радио», 1975, 704 стр.

2. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том 1. Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции. Нью-Йорк, 1968. Пер. с англ. под ред. проф. В. И. Тихонова. — М., «Советское радио», 1972, 744 с.

3. Харкевич А. А. Спектры и анализ. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Издание третье, переработанное. Москва, 1957.

4. Тихонов В. И., Миронов М. А. Марковские процессы. М., изд-во «Советское радио», 1977.

5. Стратонович P. Л. Условные марковские процессы «Теория вероятностей и её применения», 1960, т. 5, №2.

6. Umberto Mengali and Aldo N. D'Andrea "Synchronization Techniques for Digital Receivers". Plenum Pub. Corp., November 1997.

7. Kushner H. L. On the differential equation satisfied by conditional probability densities of Markov processes with applications. J. Stem on Control, Series A, Vol. 2, 1964, pp. 106,119.

8. Bucy R. S. Nonlinear filtering theory. IEEE. Trans, on Autom. Control. Vol. AC-10, 1965, p. 198.

9. Левин Б. P. Теоретические основы статистической радиотехники. М., изд-во «Советское радио», 1969 г.

10. Wonham М. Some applications of stochastic differential equations to optimal nonlinear filtering. J. Stem on Control, series A, Vol. 2, 1965, pp. 347369.

11. Fernando D. Nunes and Jose M. N. Leitao, A Nonlinear Filtering Approach to Estimation and Detection in Mobile Communications, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 16, no. 9, December 1998, pp. 1649-1659.

12. W. A. Gardner, Learning characteristics of stochastic gradient descent algorithms: a general study, analysis and critique, Signal processing, №6, Amsterdam, North-Holland, 1984, p.p. 113-139.

13. R. W. Lucky, Techniques for adaptive equalizations of digital communication systems, BSTI, 45(2), 1966.

14. C. S. Burrus, T. W. Parks, DFT/FFT and convolution algorithms, New-York, Wiley-Interscience, 1985.

15. R. E. Bogner, A. G. Constantinides, Introduction to digital filtering, London, Wiley, 1975.

16. B. A. Bowen, W. R. Brown, VLSI Systems, Design for digital signal processing, Vol.: Signal processing and signal processor, Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1982.

17. M. Speth, S. Fechtel, G. Fock, and H. Meyr, Broadband Transmission Using OFDM: System Performance and Receiver Complexity, in International Zurich Seminar on Broadband Communications, (Zurich), IEEE, Feb. 1998.

18. Y. Li and L. Cimini and N. Sollenberger, Robust Channel Estimation for OFDM Systems with Rapid Dispersive Fading Channels, IEEE Transactions on Communications, vol. 46, no. 7, pp. 902-915, 1998.

19. Брунченко А. В., Бутыльский Ю. Т., Гольденберг JI. М. и др. Цифровые фильтры в электросвязи и радиотехнике. Под ред. JI. М. Гольденберга. М.: «Радио и связь», 1982. - 224 с.

20. Trevor J. Terrell, Introduction to Digital Filters, Library of Congress Cata-loging-in-Publication Data, Published in U.S.A. by Halsted Press, a Division of John Wiley & Sons Inc., New York, Second edition, 1988.

21. ETSI, "Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television". ETS 300 744, (Al) Version 1.4.1, 49 p., Jan. 2001.

22. Харкевич А. А. Борьба с помехами. — M.: ГИЗ физ.-мат. лит. 1963. 276 с.

23. Ptolemaus С. Opera due exstant omnia. Vol. 1 Sintaxix Mathematica, Editor: J. L. Heizberg, Leipzig, Teubner, 1903.

24. Legendre A. M. Nouvelles methodes nouer la determination des orbites des cometes. Paris, 1806.

25. GauB C. F. Theorie der Bewegung der Himmel-skorper Welch in Kegelschnitten dies sonne unllanfen (German translation of the Latin original dated 1809). Hannover, Carl Meyer, 1865.

26. Fisher R. A. On an absolute criterion for fitting frequency curries. Messenger of Math. Vol. 41, 1912, pp. 155-160.

27. Колмогоров А. И. Интерполирование и экстраполирование стационарных последовательностей. «Известия АН СССР. Сер. мат.», 1941, т.5, №1, стр. 3-14.

28. Wiener N. Extrapolation, interpolation and smoothing of stationary time series, №4. J. Wiley, 1949.

29. Kalman R. E. A new approach to linear filtering and prediction problems. Translation ASME, Series D, vol. 82, 1960, pp. 35-45.

30. Kalman R. E., Bucy R. S. New results in linear filtering and prediction theory. Trans. ASMF, Series D, vol. 83, 1961, pp. 95-108.

31. Schmidt S. F. The Kalman Filter; its recognition and development for aerospace applications. Guidance and Control, vol. 4, №1, pp. 4-7, 1981.

32. Bryson A. E. Ho Y. Applied optimal control Waltham/Mass.; Blais-dell, 1969.

33. Krebs V. Linear optimal filter in der. MEB und Regelungstechnik — line Einfuhr Aussprachetag des VDI/VDE: Filterverfahren und Beobachtersysteme in der MaJ3 und Regelungstechnik. Frankfurt/Main, 1975.

34. Einstein A. Uber die vonder molecular-kintische Theorie der Warme geforderte. Bewegung von in ruhenden Fussligkeiten Suspenchlerten Teilchen. Annalen der Physik, 1905, pp. 549-560.

35. Куликов E. И., Трифонов А. П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. — М.: «Сов. радио», 1978.

36. Jazwincki А. Н. Stochastic processes and filtering theory. Academic press. New York, 1970.

37. Стратонович P. JI. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. — М., МГУ, 1966.

38. Стратонович P. JI. Применение теории процессов Маркова для оптимальной фильтрации сигналов. «Радиотехника и электроника», 1960, т. 5,№11.

39. Стратонович P. JI. Новая форма записи стохастических интегралов и уравнений. «Вестник Московского университета. Серия: математическая механика», 1964, №1.

40. Дуб Дж. Вероятностные процессы. — М., ИЛ, 1956.

41. Ito К. Stochastic integral. "Proc. Imp. Aead.", Tokyo, 1944, Vol. 20, pp. 519-524.

42. Бронштейн И. H., Семендяев К. А. Справочник по математике. Для инженеров и учащихся ВТУЗОВ. М., Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955.

43. J. М. N. Leitao and F. D. Nunes, "A nonlinear filtering approach to carrier tracking and symbol detection in digital phase modulation," in Proc. IEEE ICC'94 Conf., New Orleans, LA, May 1994, pp. 386-390.

44. F. D. Nunes and J. M. N. Leitao, "State estimation in Rice/Rayleigh channels using a nonlinear filtering technique," in Proc. IEEE ICC'94 Conf., New Orleans, LA, May 1994, pp. 903-907.

45. W. C. Jakes, Ed., Microwave Mobile Communications. Piscataway, . NJ: IEEE Press, 1994.

46. П. Хьюбер. Робастность в статистике. пер. с англ. И. А. Маховой и В. И. Хохлова, под. ред. И. Г. Журбенко.

47. ISO/IEC 13818: "Information technology Generic coding of moving pictures and associated audio information - Parts: 1 (Systems), 2 (Video) and 3 (Audio)".

48. F. D. Nunes and J. M. N. Leitao "A nonlinear filtering approach to estimation and detection in mobile communications", Selected Areas in Communications, IEEE Journal on Volume: 16, Issue: 9, Dec. 1998, pp. 1649-1659.

49. J. M. N. Leitao and F. D. Nunes "Nonlinear channel estimation in fading OFDM systems", Global Telecommunications Conference, 1999. GLOBECOM'99, Volume: 4, 1999, pp. 2157-2161.

50. ETSI, "Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services". ETS 300 421, (Al) Version 1.1.2, 24 p., Aug. 1997.

51. ETSI, "Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for Service Information (SI) in DVB systems". EN 300 468, (Al) Version 1.4.1, 83 p., Nov. 2000.

52. Тихонов В. И., Харисов В. Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. пособие для вузов. М.: «Радио и связь», 1991.

53. JI. Рабинер и Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Изд-во «МИР», 1978.

54. F. Classen, М. Speth and Н. Meyr. Channel estimation units for an OFDM system suitable for mobile communications. In Mobile Kommunikation: ITG-Fachbericht, Munchen, September 1995. ITG, VDE-Verlag, Berlin Offenbach.

55. Peter Hoeher. TCM on frequency selective land mobile fading channel. In Proc. Tirrenia Int'l Workshop on Digital Communications, September 1991.

56. M. Speth, H. Meyr. Complexity constrained channel estimation for OFDM based transmission over fast fading channels. Integrated systems for signalprocessing. Aachen University of Technology (RWTH), Templergraben 55. D-52056 Aachen, Germany.

57. F. Classen and H. Meyr. Two frequency estimation schemes operating independently of timing information. Conf. Rec. GLOBECOM'93, Houston, TX, Nov. 29 Dec. 2, 1993, pp. 1996-2000.

58. S. Kay. A fast and accurate single frequency estimator. IEEE Trans. Acoust. Speech, Signal Processing, ASSP-37, 1987-1990, Dec. 1989.

59. M. P. Fitz. Planar filtered techniques for burst mode carrier synchronization. Conf. Rec. GLOBECOM'91, Phoenix, Arizona, Dec. 2-5, 1991, paper 12.1.

60. M. P. Fitz. Further results in the fast estimation of a single frequency. IEEE Trans. Commun., COM-42, 862-864, March 1994.

61. M. Luise and R. Reggiannini. Carrier frequency recovery in all-digital modems for burst-mode transmissions, IEEE Trans. Commun., COM-43, 19691978, Feb./March/April 1995.

62. A. Papoulis. Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, New York: McGraw-Hill, 1991.

63. G. M. Gardner. Frequency detectors for digital demodulators via maximum likelihood derivation. ESA Final Report: Part II, ESTEC contract No 8022/88/NL/DG, March 1990.

64. A. N. D'Andrea and U. Mengali. Noise performance of two frequency-error detectors derived from maximum likelihood estimation methods. IEEE Trans. Commun., COM-42, 793-802, Feb./March/April 1994.

65. G. Karam, F. Daffara and H. Sari. Simplified versions of the maximum-likelihood frequency detector. Conf. Rec. GLOBECOM'92, Orlando, FL, Dec. 6-9, 1992, paper 11.02.

66. F. M. Garner. Demodulator reference recovery techniques suited for digital implementation, European Space Agency, Final report, ESTEC contract No 6847/86/NL/DG, August, 1988.

67. A. N. D'Andrea and F. Russo. First-order DPLL's: A survey of a peculiar methodology and some new applications. Alta Frequenza, 495-506, Dec. 1983.

68. C. R. Cahn. Improving frequency acquisition of a Costas loop. IEEE Trans. Commun., COM-25, 1453-1459, Dec. 1977.

69. F. D. Natali. AFC tracking algorithms. IEEE Trans. Commun., COM-32, 935-947, Aug. 1984.

70. F. M. Garner. Properties of frequency difference detectors. IEEE Trans. Commun., COM-33, 131-138, Feb. 1985.

71. A. N. D'Andrea and U. Mengali. Performance of a quadricorrelator driven by modulated signals. IEEE Trans. CommunCOM-38, 1952-1957, Nov. 1990.

72. А. N. D'Andrea and U. Mengali. Design of quadricorrelators for automatic frequency control systems. IEEE Trans. Commun., COM-41, 988-997, June 1993.

73. T. Alberty and V. Hespelt. A new pattern jitter free frequency error detector. IEEE Trans. Commun., COM-37, 159-163, Feb. 1989.

74. Витерби Э. Д. Принципы когерентной связи. Нью-Йорк, 1966 г. Пер. с англ., под ред. Левина Б. Р., М., «Советское радио», 1970.

75. W. W. Peterson and Е. J. Weldon. Error-Correcting Codes. Second edition. MIT Press: Cambridge, Mass., 1972.

76. Зайцев В. В., Кульман Н. К. Оптимальная интерполяция непрерывных марковских случайных сигналов. — «Радиотехника и электроника»,1970, т. 15, №11, стр. 2385-2390.

77. Зайцев В. В., Кульман Н. К. Эффективность оптимальной интерполяции нормального марковского информационного параметра. «Радиотехника и электроника», 1971, т. 16, №3, стр. 433-436.

78. Зайцев В. В., Кульман Н. К. Оптимальная интерполяция многомерных марковских случайных сигналов. — «Радиотехника и электроника»,1971, т. 16, №1, стр. 58-66.

79. Липцер P. ILL, Ширяев А. Н. Нелинейная интерполяция компонент диффузионных марковских процессов (прямые уравнения, эффективные формулы). «Теория вероятностей и её применения», 1968, т. 13, №4, стр. 602-620.

80. Быховский М. А. Принципы построения устройств разнесённого приёма ЧМ сигналов. «Электросвязь», 1976, №4, стр. 17-24.

81. Ярлыков М. С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: «Советское радио», 1980 г. 360 стр.

82. ETSI, "Radio broadcast systems; Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixed receivers". Final Draft, PR ETS 300 401. Technical report, European Telecommunications Standards Institute, November 1994.

83. Shinsuke Hara, Kiyoshi Fukui, Minoru Okada, and Norihiko Morinaga. Multicarrier modulation techniques for broadband indoor wireless communications. Proceedings ofPIMRC'93, 1:132-136, September 1993.

84. R. Kays. Kanalcodierung und Modulation fur die digitale Fernsehubertragung. Proc. 5. Dortmunder Fernsehseminar, pages 118-131, 1993.

85. P. G. M. De Bot, S. Baggen, A. Chouly, and A. Brajal. An Example of a Multi-Resolution Digital Terrestrial TV Modem. Proc. ICC'93 Geneva, III: 1785-1789, May 1993.

86. H. Sari, G. Karam, and I. Jeanclaude. Transmission Techniques for Digital Terrestrial TV Broadcasting. IEEE Communications Magazine, pages 100109, February 1995.

87. Sarah Kate Wilson, R. Ellen Khayata, and John M. Cioffi. 16 QAM Modulation with Orthogonal Frequency Division Multiplexing in a Rayleigh-Fading Environment. Proceedings ofVTC'94, 3:1660-1664, June 1994.

88. Stefan A. Fechtel and Heinrich Meyr. Optimal Feedforward Estimation of Frequency Selective Fading Radio Channels. Proc. of the ICC'92, pages 677-681, 1992.

89. Stefan A. Fechtel and Heinrich Meyr. Optimal Parametric Feedforward Estimation of Frequency Selective Fading Channels. IEEE Trans. Commun., pages 1639-1650, April 1994.

90. Peter Hoeher. TCM on Frequency Selective Land Mobile Fading Channel. Proc. Tirrenia Int'l Workshop on Digital Communications, September 1991.

91. Ferdinand Classen and Heinrich Meyr. Synchronization Algorithms for an OFDM System for Mobile Communications. ITG-Fachbericht 130 Codierung fur Quelle, Kanal und Ubertragung, October 1994.

92. P. Sarath Kumar and Sumit Roy. Two-Dimensional Equalization: Theory and Applications to High Density Magnetic Recording. IEEE. Trans, on Communications, 42:386-395, February 1994.

93. S. Haykin. Adaptive Filter Theory. Prentice-Hall, 1991.

94. John G. Proakis. Digital Communications. McGraw-Hill, 1989.

95. Ralf Mehlan. Combined Equalization/Decoding of Trellis Coded Modulation on Frequency-Selective Fading Channels. Proc. Tirrenia Int'l Workshop on Digital Communications, September 1991.

96. ГОСТ P 52210-2004. Телевидение вещательное цифровое. Термины и определения.

97. Michel С. Jeruchim, Philip Balaban, and Sam К. Shanmugan. Simulation of Communication Systems. Second edition, New York, Kluwer Academic/Plenum, 2000.

98. William C. Jakes, ed. Microwave Mobile Communications. New York, IEEE Press, 1974.

99. William C. Y. Lee. Mobile Communications Design Fundamentals. 2nd Ed. New York, Wiley, 1993.

100. John G. Proakis. Digital Communications. 4th Ed., McGraw-Hill, 2001.

101. Math Works MATLAB Product Help Version 6.5.0.180913a Release 13. The language of Technical Computing. The Math Works, Inc., 2002.