автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.18, диссертация на тему:Разработка методов обеспечения работоспособности системы квадратурно-амплитудной модуляции цифрового телевидения

тт

На правах рукописи

005002362

Янушковский Антон Юльевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ КВАДРАТУРНО-АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Специальность 05.11.18 - Приборы и методы преобразования изображений и звука

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 НОЯ 2011

Санкт-Петербург 2011

005002362

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете кино и телевидения на кафедре технической электроники

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

Анатолий Валентинович Кривошейкин

доктор технических наук, доцент

Владимир Юрьевич Хлопкин

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Андрей Андреевич Ахматов

Ведущая организация

ОАО НПП Дальняя связь

ч 111К £ №

■защита состоится <......>на заседании диссертационного советаJi210.021.01

при Санкт-Петербургском государственном университете кино и телевидения по адресу 191119, Санкт-Петербург, ул. Правды, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения. Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Гласман К.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации.

Современное направление развития техники цифрового телевидения характеризуется стремлением к максимально эффективному использованию радиочастотного ресурса. С этой целью разрабатываются и внедряются новые методы помехоустойчивого кодирования и новые методы приёма и обработки сигналов изображения и звука. Эти методы обеспечивают возможность повышения количества уровней используемой в цифровом телевидении системы квадратурно - амплитудной модуляции (KAM) вплоть до систем KAM с 256 уровнями. Как следствие появляется возможность значительного уплотнения полосы частот, выделяемой для передачи программ цифрового телевидения без ужесточения требований к отношению сигнал/шум при заданных требованиях к вероятности ошибок в канале передачи. Однако повышение количества уровней ведёт к уменьшению расстояния между сигналами и к ужесточению требований к погрешности выполнения операций над сигналами с квадратурно -амплитудной модуляцией.

В классической теории по оптимальному приёму сигналов установлена связь между вероятностью ошибок при приёме сигналов и отношением сигнал/шум. При этом в качестве причины, вызывающей появление ошибок, рассматривается наличие в канале передачи аддитивных и мультипликативных помех. Между тем, неизбежная погрешность выполнения операций над сигналами вызывает появление дополнительных ошибок, сверх известных из теории оптимального приёма.

Вопросы анализа дополнительных ошибок и тем более синтеза требований к параметрам устройств, погрешность реализации которых приводит к появлению дополнительных ошибок, в литературе практически не разработаны.

В теории точности вопросы погрешности параметров устройств и их компонентов рассматриваются с позиции работоспособности устройств. Исследование работоспособности системы квадратурно - амплитудной модуляции составляет содержание данной диссертации.

Таким образом, тенденции развития техники цифрового телевидения, обозначенные в рамках целевой правительственной программы, а также существующее состояние вопроса обеспечения работоспособности системы квадратурно - амплитудной модуляции в составе оборудования цифрового телевидения обусловили необходимость и актуальность решения задач, сформулированных в диссертации.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов обеспечения работоспособности системы квадратурно-амплитудной модуляции цифрового телевидения применительно к неисследованным в литературе параметрам неортогональности и пороговых уровней, что позволяет на этапе проектирования обеспечить выполнение требований к системе, как в процессе производства, так и во время эксплуатации.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать параметры работоспособности системы KAM цифрового телевидения, позволяющие на основе общих принципов построения области работоспособности выделить единый параметр системы KAM и определить совокупность внутренних параметров, функционально связанных с параметром системы.

2. Разработать модель поля сигналов KAM, которая обеспечивает переход от расчёта вероятности ошибок при любых сочетаниях передаваемых сигналов к расчёту вероятности ошибок при передаче одного сигнала и четырёх ближайших к нему.

3. Разработать методы оценки работоспособности системы KAM при нестабильности пороговых уровней и неортогональности базисных векторов, позволяющие определить допуски на отклонения пороговых уровней и неортогональность базисных векторов по заданным значениям допустимой вероятности ошибки и вероятности работоспособности.

4. Провести математическое моделирование канала передачи и приёма сигналов звука и изображения с модуляцией KAM с целью подтверждения

результатов, полученных при решении задач, рассмотренных в диссертации.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании аппарата теории точности, чувствительности и допусков, математического анализа, функционального анализа, теории вероятности и методов математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработанная упрощенная модель поля сигналов в задаче анализа вероятности ошибочного приема, которая в отличии от известной полной модели позволила перейти к расчету вероятности ошибочного приема с учетом только четырех ближайших сигналов к переданному. Это обеспечило получение неизвестных ранее замкнутых аналитических выражений непосредственно связывающих допуски на отклонение вероятности ошибки с допусками на отклонение внутренних параметров.

2. С целью определении области работоспособности проведен критический обзор параметров для систем цифрового телевидения DVB, в результате чего был сделан вывод о том, что все они прямо или косвенно зависят от одного параметра - вероятности ошибки на приёме. Проведен подробный анализ процессов, происходящих в передающей и приёмной системах KAM, который позволил выявить дополнительные к известным и исследованным внутренние параметры системы KAM непосредственно влияющим на вероятность ошибки.

3. Разработке методов статистического определения допусков на пороговые уровни и на неортогональность базисных векторов модулятора системы KAM, при заданном допуске на отклонение вероятности ошибки от номинального значения и заданном значении вероятности работоспособности.

Практическая значимость.

1. Полученный метод позволяет определить максимально возможные

допуски на параметры модулятора демодулятора KAM, гарантирующие

5

выполнение требований к вероятности ошибочного приема сформированных в стандарте DVB и тем самым обеспечивающем устойчивую работу системы цифрового телевидения.

2. Результаты данной работы могут быть практически использованы в телекоммуникационных системах и во всех системах цифрового телевидения, имеющих различные уровни KAM модуляции, так как достигнутые результаты инвариантны к количеству этих уровней.

3. Разработанные методы статистического определения допусков позволяют на этапе производства значительно расширить допуски на параметры системы KAM при допустимом количестве бракованных изделий, то есть при разрешенном риске производителя.

Защищаемые положения.

1. Принцип построения модели поля сигналов в задаче анализа вероятности ошибочного приема, состоящий в том, что полная модель поля сигналов заменяется упрощенной, позволяющей перейти к расчету вероятности ошибочного приема с учетом только четырех ближайших сигналов к переданному.

2. Методы оценки работоспособности системы KAM в зависимости от отклонения ее внутренних параметров, позволяющие определить допуски на отклонение пороговых уровней и неортогональность базисных векторов по заданным значениям допустимой вероятности ошибки и допустимой вероятности работоспособности.

3. Математическая модель канала передачи и приема сигналов с KAM модуляцией, разработанная в среде Matlab и примененная при моделировании в данной работе, заключающаяся в том что реализуемый в модели алгоритм обеспечивает расчет помехозащищенности системы KAM цифрового телевидения при одновременном воздействии на систему KAM дестабилизирующих факторов в виде присутствующего в системе гаусового шума и случайных отклонениях внутренних параметров системы KAM.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты исследований были использованы при разработке и успешном испытании передатчика вещательной сети цифрового кабельного телевидения в организации ОАО «НПП Супертел ДАЛС», а также внедрены в учебный процесс по кафедре технической электроники СПбГУКиТ при изучении магистрантами дисциплины «Устройства приёма и обработки сигналов». Апробация работы. По материалам данной работы были сделаны доклады на VI, Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, СПбГУИТМО, 14-17 апреля 2009г., на VII, Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, СПбГУИТМО, 20-23 апреля 20 Юг на конференции в рамках «недели науки СПБГУКиТ» 6-18 апреля 2009г. на конференции в рамках «недели науки СПБГУКиТ» 5-17 апреля 2010г. на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки».Министерство образования и науки РФ, Тамбов, 30 мая 2011г., на совместном семинаре кафедр технической электроники и звукотехники 14 сентября 2011г.

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в шести публикациях, среди которых три статьи, две из них опубликованы в журналах из переченя ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, и тезисы трёх докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 51 наименование. Диссертация изложена на 126 страницах, содержит 17 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержатся обоснование актуальности темы диссертационного исследования, формулировка цели и задач работы, основные положения,

выносимые на защиту, и определяются содержание и методы выполнен работы.

Первая глава посвящена параметрам работоспособности в системах цифрового телевидения. Следуя методам, развитым в теории точности, показано, чт поведение устройства описывается системой его параметров, где каждый ¡-ы параметр является функцией от внутренних параметров, образующи

вектор §.

Для того, чтобы устройство было работоспособно к его параметрам должны быть предъявлены требования в форме право-, лево и двусторонних неравенств,

В правой (левой) части неравенств указываются граничные значения

77П »7л Г?лд т?пд гч

параметров устройства/^* , г^ ,Г[ . Эти неравенства имеют вид:

; = пд

Устройство функционирует правильно, т. е. оно работоспособно, если выполнены условия (1), которые называются условиями работоспособности. Выполнение этих условий означает, что вектор # удовлетворяет всем неравенствам (1) одновременно. Устройство, спроектированное по заданным требованиям, характеризуется некоторым множеством векторов £, удовлетворяющих (1). Это множество векторов называется областью работоспособности.

Для любого устройства существует номинальный вектор ¡>о, компонентами которого являются номинальные значения внутренних параметров. Вектор принадлежит области работоспособности, при этом все неравенства в (1) выполняются как строгие, т.е. вектор лежит внутри области и не принадлежит её границе. Значения параметров устройства = 1,...,и ,

вычисленные для номинального вектора § о, называются номинальными. Таким образом, правильно спроектированное устройство при номинальном векторе имеет «запасы» на параметры устройства, которые следует назвать допусками на эти параметры. Они определяют близость вектора ¿о к границе области работоспособности, т.е. определяют допустимые отклонения значений компонент вектора & от номинальных значений.

В теории точности предполагается, что номинальный вектор ¿»о, а следовательно и значения соответствующих параметров = 1 >•■•>"

заданы. При расчёте допусков на внутренние параметры основное внимание уделяется задачам, связанным с отклонением от номинальных значений, как внутренних параметров, так и параметров устройства. Поэтому условия работоспособности, заданные в виде (1), целесообразно записать в терминах отклонений. Для этого из обеих частей каждого Ьго неравенства в (1) вычитается значение параметра ¡¡(|о)- Это же относится к внутренним параметрам

Выполнение условий работоспособности в форме (1) или в форме отклонений зависит от значений компонент вектора §. Из-за случайного характера производства и условий эксплуатации эти компоненты являются случайными величинами.

Поэтому, также случайно событие У, заключающееся в том, что условия работоспособности выполнены. Вероятность наступления этого события Р(У) назовём вероятностью работоспособности, равной вероятности нахождения вектора # в области работоспособности.

Для конкретизации области работоспособности (1) применительно к системе цифрового телевизионного вещания (ЦГВ) в диссертации рассмотрены некоторые общие вопросы построения этих систем на примере цифрового кабельного телевизионного вещания (ЦКТВ).

Входным сигналом в системе ЦТВ является стандартизованный групповой транспортный поток в формате MPEG 2 или MPEG4, который поступает в эфирный, спутниковый или кабельный канал передачи.

Однако, прежде чем поступить в этот канал транспортный поток проходит ряд преобразований, определяемых стандартами DVB.

В диссертации на примере ЦКТВ рассмотрена каждая из этих операций и основное внимание с позиции вероятности ошибочного приёма уделено операциям «Фильтрация по Найквисту» и «Модуляция 64 KAM».

Дня передачи ТП по распределительной сети используется множество синусоидальных сигналов Sr = Ur sin(©í + tpr), параметрами которых являются амплитуда Ат и фазовый угол <pr, r= 1,... 64.

Получить 64 варианта сочетания параметров можно множеством способов. Один из вариантов, т.е. один из методов модуляции, является наиболее помехоустойчивым и называется квадратурно-амплитудным методом 64КАМ

Этот сигнал генерируется в передатчике и, пройдя через среду распространения, поступает на вход приемника.

Передатчик построен по принципу квадратурной обработки в соответствии со структурой устройства, представленной на рисунке 2.

Рис.2 Структура передающего устройства

В диссертации отмечается, что сигнал Sr, г = \,т можно рассматривать, как вектор в эвклидовом пространстве с осями I и Q, координаты которого задаются синфазной составляющей SrI = Ur cos(<рг) (ось I) и квадратурной составляющей SrQ = Ur sin(<pr) (ось Q).

Такое представление сигналов, называемое полем сигналов (constellation), изображено на рисунке 3 для частного случая многоуровневой модуляции -квадратурно-амплитудной модуляции KAM 64.

<Q

i

Рис 3 Созвездие сигналов KAM 64

В диссертации под передающей системой KAM понимается совокупность устройств, обеспечивающих обработку аудиовизуального сигнала, поступающего на вход системы ЦКТВ в виде группового транспортного потока стандартов MPEG 2, MPEG 4 с целью получения выходного сигнала, удовлетворяющего требованиям передачи по сети кабельного телевидения, Соответственно под приёмной системой KAM понимается совокупность устройств, выполняющих операции, обратные к выполняемым в передающей системе KAM.

В диссертации показано, что необходимо произвести выбор параметров, используемых при определении области работоспособности в (1).

С этой целью сделан критический обзор методов, рассмотренных стандарте

ETSI TR 101290, посвященном методам измерения большого количества параметров для систем DVB.

Анализ параметров, рассмотренных в стандарте ETSI TR 101290, позволяет сделать вывод о том, что все они прямо или косвенно зависят от одного параметра - вероятности ошибки на приёме BER.

В дальнейшем, в соответствии с принятыми в отечественной литературе обозначениями параметр вероятность ошибки обозначим символом Рош.

Таким образом, область работоспособности в (1) задаётся одним неравенством:

Рош(М)*Рд (2),

где в соответствии с ETSI TR 101290 Рл = 10"4 - граничное значение для вероятности ошибки.

Проведенный подробный анализ процессов, происходящих в передающей и приёмной системах КАМ, позволил выявить внутренние параметры системы КАМ и являющиеся компонентами вектора g в (1).

Показано, что этими компонентами являются значения пороговых уровней Uon в оптимальном приёмнике и параметр неортогональности ср, значение которого равно отклонению угла при организации канала Q от номинального значения л/2.

Вторая глава диссертации посвящена разработке модели поля сигналов в задаче анализа вероятности ошибочного приёма. Предложен принцип построения модели, который основан на исключении из выражения для общей вероятности ошибок условных вероятностей приёма тех сигналов, которые удалены от передаваемого сигнала на расстояние большее, чем расстояние эквидистантности.

С этой целью, в соответствии с моделью поля сигналов на рис. 5 всё поле сигналов подразделяется на базовые сигналы и четыре ближайших к каждому базовому.

в. ' ; э • о

• • • • • •

5. 0 . © • s • è

4 • • • • ' « i

э. ® • : q • « s . a

2 ■ • • .. • • ■. :

J f ■ , ® . g) . ® .

1 2 3 4 S 6 7 '

рис.5 Модель поля сигналов Это означает, что полная вероятность ошибочного приёма, задаваемая выражением

п п

Рош ~ X

/=и=1

I IP(SU/S9)+ îpfSn/Sij)

к=\ 1-\ 1=1 I* j

(2)

заменяется выражением

р;

ош= I I + 1 /S;j)+p{Sij /S,j+l)+

i=2,4,6,8 j=2,4,6,8

+p{sij-i/sij)+p(siij/sij_1)+

+/'fe+i.y / SitJ )+ pfaj / SMJ )j+ +p(si-uj/si)j)+p(shj/si_lj)j+ + S S pij[p{si>j+{/sij)+p(si>j/si)j+l)+

¡=1,3,5,7 ¡=1,3,5,7

+p(Sij-i/Sij)+p(si>j/sitj_1)+ + p(sMJ / Sij )+ p(sitJ / SMJ )] +

На рис. 6 представлен фрагмент поля сигналов, тяготеющих к базовому сигналу.

4 Q

Рис. 6 Фрагмент поля сигналов В соответствии со свойством эквидистантности сигналов, используемых в системе KAM, выражение (3) сворачивается к виду:

Рош = Е I pi,jfp{s2/sl)+p{sl/s2)+]

i=2,4,6,8 j=2,4,6,8

+p{s3/sl)+p{sl/s3)+

+p{s5/sl)+p{sx/s5)j+

+ I I Pi,j[p(S2/Sl)+p{Si/S2)+

i=l,3,S,7 j=l,3,5,7

+^(54/^)+^!/£4)+

+ P{S5/S1)+P{S1/S5)J (4).

Далее, с учётом того, что условные вероятности ошибок равны сумме условных вероятностей ошибок по каналам I,Q, в диссертации получено следующее выражение:

Рош = 21Рош1 + Рош2 + РошЗ + Рош4 J (5)

где

POMi=P{S2i/S\i)+P(SU/S2i) ' Рош1 = P{S4i/S\i) + P{S\i/S4i) . РошЬ = P(S3q/Slq)+ P(Slq/S3q) ' РошЪ = P(S5q/Slq)+P{Slq!S5q)

Полученное выражение является основным для расчёта вероятности ошибок, входящих в в левую часть неравенства (2), которая определяет область работоспособности системы KAM. Формула получена вне зависимости от причин, вызывающих появление ошибки в приёмном устройстве, т.е. вне зависимости от внутренних параметров системы KAM.

Формула (5) позволяет перейти к отысканию функциональной связи между вероятностью ошибки и ранее выявленными внутренними параметрами.

В третьей главе исследуется влияние нестабильности внутренних параметров системы KAM на вероятность ошибочного приёма сигналов.

Используя результаты, полученные в главе 2, показано, что вероятность ошибки как функция от значений пороговых уровней имеет вид:

+ JWCV+

(Ulg)J J

Дальнейшие исследования велись в терминах логарифмических отклонений функции вероятности ошибки в зависимости от логарифмических отклонений пороговых уровней от номинальных значений.

Логарифмическое отклонение функции вероятности ошибки А1п(Р0Ш)

было разложено в усечённый многомерный ряд Тэйлора степени не выше двух по относительным отклонениям пороговых уровней.

В соответствии с теорией оптимального приёма вероятность ошибки достигает минимального значения при номинальных значениях пороговых уровней. Поэтому функция А1п(Рош) должна быть чётной в зависимости от относительных отклонений пороговых уровней

Д/я г/1 , А/л 2 , Д/и 1/2 ,, А/и *71 д

В диссертации показано, что первые производные разложения в многомерный ряд Тэйлора равны нулю и, следовательно, условие чётности соблюдается. После ряда преобразований получено окончательное выражение, устанавливающее функциональную связь между относительным отклонением вероятности ошибки и относительными отклонениями пороговых уровней. В результате область работоспособности задаётся следующим неравенством:

Л1п(Р0Ш)=1-82аЬ5\л1П(и\1))2 +(А1п№1))2 +(Л1п(тд))2 +(Л1п(и2д))2]йЬРд

1ХР2

1+,

2 _9*S NR2 лabs ~ 7 "

Рд

4 и2-1

V /

где SNR - отношение сигнал/шум Ьрд = 1пРд- In Рош (g~0 ) = *"

Рош(8о)

допуск на отклонение заданной в стандарте DVB вероятности ошибочного приёма сигнала от своего номинального значения.

Полученное соотношение позволило установить формулу для расчёта в наихудшем случае допуска на относительные отклонения пороговых уровней Ьи от номинальных значений:

Аналогичные исследования, проведенные для параметра неортогональности квадратурных сигналов с использованием ряда Тэйлора позволили установить функциональную связь между относительным отклонением вероятности ошибки и параметром неортогональности <р. Область работоспособности в этом случае задаётся неравенством:

AlnP0lu=Sabs<p2*g>2ibPd, где <W =-\-SNR[SNR +1]

Формула для расчёта допуска Ь<р в наихудшем случае имеет вид:

* Sabs9

Найденные значения Ьи и Ь<р обращают неравенства в равенства и следовательно вероятность работоспособности равна единице. Если допустить её значение меньшим единицы, то значения допусков могут быть увеличены.

В диссертации рассмотрены статистические характеристики вероятности работоспособности системы KAM.

Получены аналитические выражения для интегральных функций распределения параметра отклонения вероятности ошибочного приёма от номинального значения, вызванного отклонениями пороговых уровней и ненулевым значением параметра неортогональносги.

Таким образом, результаты исследований, изложенные в третьей главе, позволяют рассчитать допуски на параметры системы KAM в детерминированном и вероятностном смыслах.

В четвёртой главе рассмотрено моделирование канала связи системы KAM и представлены результаты моделирования при отсутствии и наличии отклонений пороговых уровней, а также при неортогональности квадратурных каналов.

Модель канала связи KAM системы выполнена в среде Matlab. Подразумевается, что сигнал KAM разделён на два квадратурных канала, а моделирование идет по одному каналу, что становится возможным благодаря введению коэффициентов при расчете отношения сигнал шум. Алгоритм программы, написанной в этой среде, моделирующей нестабильность пороговых уровней, приведен ниже в виде следующей последовательности этапов.

1 Вводится вектор опорных сигналов Uon, в котором элементы

располагаются в порядке возрастания от значения 0 до 7,5 с шагом единица.

2 Вводится вектор переданного сигнала Snep длиной 1, элементы которого

имеют дискретные случайные значения от 1 до 8, которые являются

значениям десятичных чисел на выходе ЦАП, соответствующих трём битам транспортного потока.

3 Каждый элемент вектора 8пср суммируется с выборкой случайного гауссовского процесса с дисперсией о2, рассчитанной по заданному для моделирования значению отношения сигнал/шум. В результате образуется вектор зашумленных сигналов 8„, поступающий на вход приёмника.

4 Реализуется мажоритарный процесс сравнения каждого элемента вектора принятых зашумленных сигналов 8„ с элементами вектора опорных сигналов иоп и фиксируется тот сигнал, в чью область попал элемент вектора сигналов 8„

5 Образуется вектор решений 8реш, каждому элементу которого, соответствующего элементу вектора 8П, присваивается значение сигнала, полученное в результате мажоритарного процесса.

6 Рассчитывается расстояние Хэмминга сЬсЭмм между вектором переданного сигнала 8пери вектором решений 8реш, т.е. определяется количество ошибок.

7 Производится усреднение расстояния ёХэмм по длине 1 вектора переданных сигналов и находится частость (вероятность) ошибочного приёма

рош = 2 . Удвоение происходит из-за наличия ошибок в двух

независимых ортогональных каналах I и С). Для случая отклонения угла сдвига фаз несущих колебаний от номинального значения принцип моделирования в целом тот же. Отличия заключаются в том, что генерируются два независимых вектора из случайно распределенных чисел от 1 до 8, далее эти векторы используются при вычислении третьего вектора, моделирующего сигнал в одном из квадратурных каналов с учетом упомянутого выше условия неидеальности системы. В остальном, модель повторяет уже описанную для случая нестабильности пороговых уровней.

В диссертации в графическом и табличном виде приведены сопоставительные результаты расчетов и моделирования для нескольких значений допусков.

сттвгокение пороговые у|фвчёй:

число уровнёй-КАМ

рис.7

На рисунке 7 представлена зависимость допусков на отклонение порогов от порядка ЬСАМ модуляции.

1,5

О У.—к-

■ нворторедапьнрстъ

7024

рис.8

На рисунке 8 приведена аналогичная зависимость для параметра неортогональности.

|1сй0мустойч^аас'гь ÄAM64

рис.9

На рисунке 9 приведены результаты сравнения теоретических значений помехоустойчивости по Фееру и эта же зависимость, полученная в результате моделирования в данной диссертации. Результаты моделирования показали близость к теоретическому значению.

рис.10

На рисунке 10 представлена вероятность ошибки при разных ОСШ для различных порядков KAM модуляции. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с выводами теории, изложенной в диссертации.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1 Применительно к проблеме обработки сигнала сформулированы понятия области работоспособности и вероятности работоспособности системы KAM цифрового телевидения.

2 Выдвинут принцип построения и разработана модель поля сигналов AM, позволившая получить аналитические выражения для расчёта вероятности шибки при приёме сигналов, инвариантные к виду причин, вызвавших гклонение вероятности ошибки от номинального значения.

3 Получены соотношения, устанавливающие в замкнутом аналитическом виде связь между отклонением вероятности ошибки от номинального значения и отклонениями пороговых уровней и параметра неортогональности, что позволяет рассчитать допуски на эти отклонения.

4 Построена математическая модель канала передачи - приёма цифрового телевидения и разработан алгоритм, реализованный в среде MatLab, позволивший провести численные эксперименты по проверке теоретических положений, разработанных в диссертации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кривошейкин A.B. Янушковский А.Ю. Точность определения параметров демодулятора в системах с амплитудно-фазовой модуляцией// Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2010, №10, с.55-60.

2. Кривошейкин A.B. Янушковский А.Ю. Помехоустойчивость систем KAM при разбалансе квадратурных каналов.//Радиоэлектроника интеллектуальных транспортных систем. СПб, СЗЗТУ, 2010 №3, с. 24 - 30.

3. Янушковский А.Ю., Кривошейкин A.B. Помехоустойчивость приема сигналов фазоамплитудной модуляции в условиях неидеальности квадратурных каналов //Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2011. Т.53. №9,

с. 58-63.

4. Янушковский А.Ю. Точность параметров демодулятора в системах с модуляцией KAM. Тезисы доклада на конференции СПб ГУКиТ в рамках «Недели науки и творчества-2009» 6-18 апреля 2009г.

5. Янушковский А.Ю., Кривошейкин A.B. Помехоустойчивость приема KAM сигналов в условиях неидеальности квадратурных каналов. Тезисы доклада на конференции в рамках «недели науки и творчества-2010» 5-17 апреля 2010г.

6. Янушковский А.Ю., Кривошейкин A.B. Математическая модель поля сигналов квадратурной амплитудно-фазовой модуляции. Тезисы доклада на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки», Министерство образования и науки РФ, Тамбов, ЗОмая 2011г.

Подписано в печать 12.10.11 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ

Подразделение оперативной полиграфии ФГБОУ ВПО «СПбГУКиТ». 192102. Санкт-Петербург, ул. Бухарестская, 22.

Введение

1 Параметры работоспособности в системе цифрового телевидения

1.1 Область работоспособности устройства

1.2 Передающая и приёмная системы KAM

1.3 Выбор параметров системы KAM

1.4 Выводы

2 Модель поля сигналов в задаче анализа вероятности ошибочного приёма

2.1 Принцип построения модели

2.2 Анализ вероятности ошибочного приёма

2.3 Выводы

3 Влияние нестабильности внутренних параметров системы KAM на вероятность ошибки

3.1 Анализ вероятности ошибки при нестабильности пороговых уровней 51 3.2Анализ вероятности ошибки при неортогональности квадратурных несущих 63 3.3Статистические характеристики вероятности работоспособности системы KAM

4 Моделирование системы KAM 100 4.1 Результаты моделирования

Актуальность темы диссертации.

Современное направление развития техники цифрового телевидения характеризуется стремлением к максимально эффективному использованию радиочастотного ресурса. С этой целью разрабатываются и внедряются новые методы помехоустойчивого кодирования и новые методы приёма и обработки сигналов. Эти методы обеспечивают возможность повышения количества уровней используемой в цифровом телевидении системы квадратурно-амплитудной модуляции (KAM) вплоть до систем KAM с 1024 уровнями.

Как следствие появляется возможность значительного уплотнения полосы частот, выделяемой для передачи программ цифрового телевидения без ужесточения требований к отношению сигнал/шум при заданных требованиях к вероятности ошибок в канале передачи.

Однако повышение количества уровней ведёт к уменьшению расстояния между сигналами и к ужесточению требований к погрешности выполнения операций над сигналами с квадратурно - амплитудной модуляцией.

В классической теории по оптимальному приёму сигналов установлена связь между вероятности ошибки при приёме сигналов и отношением сигнал/шум. При этом в качестве причины, вызывающей появление ошибок, рассматривается наличие в канале передачи аддитивных и мультипликативных помех. Между тем, неизбежная погрешность выполнения операций над сигналами вызывает появление дополнительных ошибок, сверх известных из теории оптимального приёма.

Вопросы анализа дополнительных ошибок и тем более синтеза требований к параметрам устройств, погрешность реализации которых приводит к появлению дополнительных ошибок, в литературе практически не разработаны.

В теории точности вопросы погрешности параметров устройств и их компонентов рассматриваются с позиции работоспособности устройств. Исследование работоспособности системы квадратурно - амплитудной модуляции составляет содержание данной диссертации.

Таким образом, тенденции развития техники цифрового телевидения, обозначенные в рамках целевой правительственной программы, а также существующее состояние вопроса обеспечения работоспособности системы квадратурно - амплитудной модуляции в составе оборудования цифрового телевидения обусловили необходимость и актуальность решения задач, сформулированных в диссертации.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов обеспечения работоспособности системы квадратурно-амплитудной модуляции цифрового телевидения применительно к неисследованным в литературе параметрам неортогональности и пороговых уровней, что позволяет на этапе проектирования обеспечить выполнение требований к системе, как в процессе производства, так и во время эксплуатации.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать параметры работоспособности системы KAM цифрового телевидения, позволяющие на основе общих принципов построения области работоспособности выделить единый параметр системы KAM и определить совокупность внутренних параметров, функционально связанных с параметром системы.

2. Разработать модель поля сигналов KAM, которая обеспечивает переход от расчёта вероятности ошибки при любых сочетаниях передаваемых сигналов к расчёту вероятности ошибки при передаче одного сигнала и четырёх ближайших к нему.

3. Разработать методы оценки работоспособности системы KAM при нестабильности пороговых уровней и неортогональности базисных векторов, позволяющие определить допуски на отклонения пороговых уровней и неортогональность базисных векторов по заданным значениям допустимой вероятности ошибки и вероятности работоспособности.

4. Провести математическое моделирование системы с модуляцией KAM с целью подтверждения результатов, полученных при решении задач, рассмотренных в диссертации.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании аппарата теории точности, чувствительности и допусков, математического анализа, функционального анализа, теории вероятности и методов математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработанная упрощенная модель поля сигналов в задаче анализа вероятности ошибочного приема, которая в отличии от известной полной модели позволила перейти к расчету вероятности ошибочного приема с учетом только четырех ближайших сигналов к переданному. Это обеспечило получение неизвестных ранее замкнутых аналитических выражений непосредственно связывающих допуски на отклонение вероятности ошибки с допусками на отклонение внутренних параметров.

2. С целью определении области работоспособности проведен критический обзор параметров для систем цифрового телевидения DVB, в результате чего был сделан вывод о том, что все они прямо или косвенно зависят от одного параметра - вероятности ошибки на приёме. Проведен подробный анализ процессов, происходящих в передающей и приёмной системах KAM, который позволил выявить дополнительные к известным и исследованным внутренние параметры системы KAM непосредственно влияющим на вероятность ошибки.

3. Разработке методов статистического определения допусков на пороговые уровни и на неортогональность базисных векторов модулятора системы 5

KAM, при заданном допуске на отклонение вероятности ошибки от номинального значения и заданном значении вероятности работоспособности.

Практическая значимость.

1. Полученный метод позволяет определить максимально возможные допуски на параметры модулятора демодулятора KAM, гарантирующие выполнение требований к вероятности ошибочного приема сформированных в стандарте DVB и тем самым обеспечивающем устойчивую работу системы цифрового телевидения.

2. Результаты данной работы могут быть практически использованы в телекоммуникационных системах и во всех системах цифрового телевидения, имеющих различные уровни KAM модуляции, так как достигнутые результаты инвариантны к количеству этих уровней.

3. Разработанные методы статистического определения допусков позволяют на этапе производства значительно расширить допуски на параметры системы KAM при допустимом количестве бракованных изделий, то есть при разрешенном риске производителя.

Защищаемые положения.

1. Принцип построения модели поля сигналов в задаче анализа вероятности ошибочного приема, состоящий в том, что полная модель поля сигналов заменяется упрощенной, позволяющей перейти к расчету вероятности ошибочного приема с учетом только четырех ближайших сигналов к переданному.

2. Методы оценки работоспособности системы KAM в зависимости от отклонения ее внутренних параметров, позволяющие определить допуски на отклонение пороговых уровней и неортогональность базисных векторов по заданным значениям допустимой вероятности ошибки и допустимой вероятности работоспособности.

3. Математическая модель канала передачи и приема сигналов с KAM модуляцией, разработанная в среде Matlab и примененная при моделировании в данной работе, заключающаяся в том что реализуемый в модели алгоритм обеспечивает расчет помехозащищенности системы KAM цифрового телевидения при одновременном воздействии на систему KAM дестабилизирующих факторов в виде присутствующего в системе гаусового шума и случайных отклонениях внутренних параметров системы KAM.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты исследований были использованы при разработке и успешном испытании передатчика вещательной сети цифрового кабельного телевидения в организации ОАО «Hl111 Супертел ДАЛС», а также внедрены в учебный процесс по кафедре технической электроники СПбГУКиТ при изучении магистрантами дисциплины «Устройства приёма и обработки сигналов»

Апробация работы. По материалам данной работы были сделаны доклады на VI, Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, СПбГУИТМО, 14-17 апреля 2009г., на VII, Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, СПбГУИТМО, 20-23 апреля 20 Юг на конференции в рамках «недели науки СПБГУКиТ» 6-18 апреля 2009г. на конференции в рамках «недели науки СПБГУКиТ» 5-17 апреля 2010г. на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки»,Министерство образования и науки РФ, Тамбов, 30 мая 2011г., на совместном семинаре кафедр технической электроники и звукотехники 14 сентября 2011г

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в шести публикациях, среди которых три статьи, две из которых опубликованы в журналах из списка ВАК, и тезисы трех докладов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации поставлена и решена слабо освещенная в литературе проблема влияния на работоспособность нестабильностей параметров системы KAM цифрового телевидения, которые являются причиной появления ошибок в принятом сигнале, наряду с ошибками, вызванными наличием шумов.

1 Применительно к проблеме обработки сигнала сформулированы понятия области работоспособности и вероятности работоспособности системы KAM цифрового телевидения.

2 Выдвинут принцип построения и разработана модель поля сигналов KAM, позволившая получить аналитические выражения для расчёта вероятности ошибки при приёме сигналов, инвариантные к виду причин, вызвавших отклонение вероятности ошибки от номинального значения.

3 Получены соотношения, устанавливающие в замкнутом аналитическом виде связь между отклонением вероятности ошибки от номинального значения и отклонениями пороговых уровней и параметра неортогональности, что позволяет рассчитать допуски на эти отклонения.

4 Построена математическая модель канала передачи - приёма цифрового телевидения и разработан алгоритм, реализованный в среде MatLab, позволивший провести численные эксперименты по проверке теоретических положений, разработанных в диссертации.

1. Гехер К. Теория чувствительности и допусков электронных цепей. М.: Сов. радио, 1973 200с.

2. Кривошейкин A.B. Точность параметров и настройка аналоговых радиоэлектронных цепей. М.: Радио и связь, 1983,136с.

3. Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. М.: Горячая Линия Телеком, 2003

4. Баранов Г.Г. О выборе допусков, обеспечивающих заданную точность механизма и наименьшую стоимость его изделия. «Труды Института машиноведения». Семинар «Точность в машиностроении и приборостроении», вып. П. Изд-во АН СССР, 1957.

5. Бруевич H.A. О точности основной формулы теории ошибок механизмов. «Изв. АН СССР. Отд-ние техн. Наук», 1944, №5, с. 545558.

6. Бруевич Н.Г. Точность механизмов. М.: Гостехиздат, 1946, 352с.

7. Быховский М.Л. Расчет точности электрических цепей приборов. Приборостроение и средства автоматики. Справочник, т.1, Машгиз, 1963, с. 365-373.

8. Райншке К. Модели надежности и чувствительности систем. М.: Мир, 1979.

9. В.Л. Карякин Цифровое телевидение М.:Солон-пресс, 2008. - 272с.

10. Кривошеев М.И., Федунин В.Г. Интерактивное телевидение. М.: Радио и связь, 2000. -344с.

11. Артюшенко В.М., Шелухин О.И., Афонин М.Ю. Цифровое сжатие информации и звука / под ред. В.М. Артюшенко. М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2003. - 426с.

12. Смирнов А. В., Пескин А. Е. Цифровое телевидение: от теории к практике. М.: Горячая линия-Телеком, 2005.

13. Варгузин В., Артамонов А. Сравнительные характеристики европейского и американского стандартов цифрового наземного телевидения. Теле-Спутник, 1999, №11.

14. Кухарев В. Перспективы развития и преимущества DVB-T в России и странах ближнего зарубежья. www.nat.ru.

15. Конкурирующие стандарты цифрового телевизионного вещания. -Электроника: НТБ, 2001, №1, с. 17-19.

16. Серов А.В. Эфирное цифровое телевидение DVB-T/H. BVH,2010.

17. Лошкин Б.А. Цифровое вещание: от студии к телезрителю М.: Компания Сайрус Системе, 2001.446с.

18. ETSI EN 300744 Digital Video Broadcasting (DVB);" Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television".

19. ETSI EN 300 421: "Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services".

20. ETSI EN 300 429: "Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for cable systems".

21. ETSI ES 200 800 Vl.2.1 (2000-04): Digital Video Broadcasting (DVB); DVB interaction channel for Cable TV distribution systems (CATV).

22. ГОСТ P 52023-2003. Сети распределительных систем кабельного телевидения. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений и испытаний.

23. Krivosheikin A, Kucherov S. Signal positioning in DVB-C system QAM-64 modalation. SPB IEEE con. On 04, Proc of IEEE Russia, North-West section, year 2004.

24. Артамонов А., Копьев К., Погорельцев Ю., Протопопов JL Вопросы нормирования параметров передатчиков для цифрового ТВ вещания «625», 2003, №9 стр. 8-16.

25. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание. М.: НИИР, 2001, 568с.

26. Пескин А.Е. Труфанов В.Ф. Мировое вещательное телевидение. Стандарты и системы. М.: Горячая линия-Телеком, 2008, 308с.

27. Вишневский В.М., Портной C.JL, Шахнович И.В. Энциклопедия WIMAX Путь к 4G. М.: «Техносфера», 2009.

28. В.В. Величко Передача данных в сетях мобильной связи третьего поколения. М.: «Радио и связь», 2005.

29. Ю. А. Парфенов, Д.Г. Мирошников, Цифровые сети доступа. Медные кабели и оборудование. М.: Эко-Трендз, 2005.

30. В.А. Балашов, А.Г. Лашко, JI.M. Ляховецкий Технологии широкополосного доступа xDSL. M.: Эко-Трендз, 2009.

31. Ирвин Дж., Харль Д. Передача данных в сетях: инженерный подход -СПБ.: БХВ-Петербург, 2003

32. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. Радио, 1970

33. Окунев Ю.Б. Теория фазоразностной модуляции. М.: Связь, 1979.

34. Феер К. Беспроводная цифровая связь . М.: Радио и связь, 2000, 520 с.

35. Nyquist H. Certain topics in telegraf transmission. Trans. AIEE, v.47, №12, 1928, p.p. 617-644.

36. ETSITR 101 290 VI.2.1 (2001-05) Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement guidelines for DVB systems.

37. П. Боккер. Передача данных. Техника связи в системах телеобработки данных. М., «Связь» 1980

38. Коржик В.И., Финк JI.M., Щелкунов К.Н. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений М.: Радио и связь, 1981. — 232с.

39. Харкевич A.A. Борьба с помехами. М., Наука 1965

40. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: «Наука», 1969, 336 с.

41. Березин Н.С., Житков Н.П. Методы вычислений, т. 2 М.: Физматгиз, 1960. 619с.

42. Щелкунов К.Н. К оценке помехоустойчивости модемов в оптических каналах связи.- Радиотехника, 1975, т.30 №2, с. 24-28.

43. Абезачус Г.Г., Тронь А.П., Коленкин Ю.П. Справочник по вероятностным расчетам. М.: Воениздат, 1970.

44. Солонина А.И., Арбузов С.М. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в Matlab. СПБ, БХВ-Петербург, 2008, 816с.1. Список публикаций автора.

45. Кривошейкин A.B. Янушковский А.Ю. Точность определения параметров демодулятора в системах с амплитудно-фазовой модуляцией// Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2010, №10, с.55-60.

46. Кривошейкин A.B. Янушковский А.Ю. Помехоустойчивость систем KAM при разбалансе квадратурных каналов.//Радиоэлектроника интеллектуальных транспортных систем. СПб, СЗЗТУ, 2010 №3, с. 24-30.

47. Янушковский А.Ю., Кривошейкин A.B. Точность определения параметров демодулятора в системах с квадратурной амплитудно-фазовой модуляцией. //Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2011. Т.54. №9, с. 58-63.

48. Янушковский А.Ю. Точность параметров демодулятора в системах с модуляцией KAM. Тезисы доклада на конференции СПб ГУКиТ в рамках «Недели науки и творчества-2009» 6-18 апреля 2009г.