автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Сигналы с асимметричными циклически изменяющимися индексами модуляции и методы их приема

На правах рукописи

Парамонов Константин Алексеевич

СИГНАЛЫ С АСИММЕТРИЧНЫМИ ЦИКЛИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИМИСЯ ИНДЕКСАМИ МОДУЛЯЦИИ И МЕТОДЫ ИХ ПРИЕМА

05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»

Научный руководитель

д.т.н. доцент Куликов Г.В.

Официальные оппоненты

Лауреат Ленинской премии, д.т.н. профессор Кукк К.И , д.т.н. доцеит Мартиросов В.Е.

Ведущая организация

ФГУП «ЦНИИ «Комета»

Защита состоится 17.02 2006 в 15-00 на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» (МИРЭА) по адресу 119454, г. Москва, просп. Вернадского, 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Автореферат разослан « 16 » января 2006 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Куликов Г.В.

aooGft

И^АО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Динамичное развитие современной техники предъявляет весьма жесткие требования к системам передачи дискретной информации (СПДИ). Внедрение энергосберегающих технологий, стремление к экономичности и миниатюризации аппаратуры, а также территориальное расширение зон ее функционирования вызывают необходимость построения систем с максимальной энергетической эффективностью. Высокая плотность заполнения рабочего диапазона частот радиоэфира вынуждает при разработке радиосистем уделять особое внимание их спектральной эффективности, в первую очередь, узкополосности. Возможность успешного решения названных задач определяется выбором вида сигналов, используемых для передачи данных. При конструировании современных СПДИ все чаще возникает необходимость получения технических характеристик, которые не могут быть достигнуты с использованием широко применяемых ныне радиосигналов с амплитудной, частотной, фазовой и амплитудно-фазовой манипуляцией, в связи с чем в настоящее время активно ведется поиск и исследование новых сигналов, обладающих лучшими характеристиками. Весьма перспективными являются модулированные сигналы с непрерывной фазой (МНФ), которые привлекли внимание исследователей относительно недавно (первые упоминания появились в печати в середине 70-х годов) Однако уже сейчас относительно несложные разновидности этих сигналов нашли свое применение в ряде приложений (например, включены в стандарт сотовой связи).

К настоящему времени опубликован ряд работ, посвященных сигналам МНФ (наиболее фундаментальные из них принадлежат Anderson J.B., Aulin T., Bhargava V.K., De Buda R., Fonseka J P., Fuqin Xiong, Sundberg C.E.), в которых нашли решение многие вопросы, связанные с исследованием сигналов МНФ и методов их приема Однако в связи с тем, что формат МНФ достаточно сложен и имеет значительное количество степеней свободы, существуют малоисследованные или совсем неисследованные разновидности сигналов МНФ.

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что она направлена на решение проблемы повышения энергетической и спектральной эффективности СПДИ, работающих в различной помеховой обстановке, в первую очередь, сотовых и спутниковых систем подвижной связи. Такие системы, в числе прочих применений, имеют исключительное значение для регионов, обладающих значительными географическими масштабами при низкой плотности населения и большом количеством малых населенных пунктов, а также для труднодоступных районов, что характерно для нашей страны. Учитывая, что количество используемых СПДИ и масштабы их применения неуклонно возрастают, улучшение их характеристик является крайне важным для современной техники связи и определяет направление ее дальнейшего развития и совершенствования.

Целью работы является исследование перспективной разновидности сигналов МНФ - сигналов с асимметричными циклически изменяющимися индексами модуляции (АЦИИМ), разработка методов их приема и исследование эффективности этих методов в различной помеховой обстановке.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА CRi 09

»II HU I ЕМ

• сигналы АДИИМ обладают более высокой энергетической эффективностью, чем сигналы с традиционными видами модуляции. Энергетический выигрыш по сравнению с сигналами ФМ-2 при использовании двоичных сигналов АЦИИМ приближается к 3 дБ (при глубине анализа 7 тактовых интервалов), а при использовании четырехпозиционных сигналов АЦИИМ превышает 4 дБ (при глубине анализа 5 тактовых интервалов);

• использование сигналов АЦИИМ в каналах связи со структурными помехами позволяет повысить помехоустойчивость передачи информации по сравнению с сигналами с традиционными видами модуляции;

• имеются оптимальные сочетания индексов модуляции, позволяющие одновременно добиться высокой энергетической и спектральной эффективности сигналов АЦИИМ;

• спектр сигнала АЦИИМ близок к спектру сигнала МНФ с постоянным индексом модуляции, равным усредненному значению, полученному от значений индексов, формирующих данный формат АЦИИМ;

• сигналы АЦИИМ с фазовыми импульсами (ФИ) более сложной формы по сравнению с сигналами с ФИ линейной формы имеют более быстро и плавно убывающий спектр и их демодуляторы менее чувствительны к флуктуа-циям начальной фазы сигнала.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• впервые для сигналов АЦИИМ проанализирована возможность применения приблизительных методов определения потенциальной помехоустойчивости приема в условиях как только белого шума, так и при дополнительном наличии в канале связи структурной помехи В соответствии с результатом анализа, данные методы позволяют обеспечить высокую степень приближения при существенном снижении необходимых вычислительных затрат,

• создана новая методика многопарамегрической оптимизация сигнальных форматов АЦИИМ по энергетическим и спектральным характеристикам, которая легла в основу разработанного при подготовке диссертации программного обеспечения. С ее использованием впервые проведена оптимизация сигналов АЦИИМ, по результатам которой определено значительное количество новых двух- и четырехпозиционных сигнальных форматов, перспективных для применения в аппаратуре цифровой радиосвязи;

• впервые исследована помехоустойчивость приема сигналов АЦИИМ при наличии в канале связи структурных помех основных типов (гармонической, ретранслированной и фазоманипулированной помехи). По результатам анализа определена помеха (ретранслированная), оказывающая наиболее негативное влияние на качество приема сигналов АЦИИМ;

• методами статистической радиотехники и оптимальной нелинейной фильтрации впервые в общем виде получены алгоритмы оптимального когерентного и квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ на фоне шумовой помехи и синтезированы частные структуры приемников при произвольных сочетаниях индексов модуляции и глубине анализа 3 тактовых интервала;

• на основе проведенного на ЭВМ математического моделирования работы синтезированных алгоритмов приема сигналов АЦИИМ показана их эф-

фективность и устойчивость в широком диапазоне изменения отношения сигнал/шум и интенсивности флуктуации начальной фазы.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• определено значительное количество оптимальных сигнальных форматы АЦИИМ, обладающих рядом преимуществ по сравнению с сигналами с традиционными видами модуляции, применение которых в радиосистемах позволяет повысить помехоустойчивость передачи информации;

• даны практические рекомендации по выбору конкретных сигнальных форматов АЦИИМ для использования в разрабатываемой радиоаппаратуре в зависимости от требований к проектируемым СПДИ и особенностей их применения. Рассмотрены правила выбора сигналов с учетом энергетических и спектральных критериев, а также по простоте формирования формата АЦИИМ;

• разработаны методы приема и обработки сигналов АЦИИМ, предложены структурные схемы приемников, реализующих полученные оптимальные алгоритмы, и даны рекомендации по построению таких схем;

• разработана методика компьютерного моделирования работы алгоритмов оптимального приема сигналов АЦИИМ, в том числе, алгоритма, осуществляющего слежение за случайной начальной фазой колебания. С использованием данной методики проведено моделирование приема сигналов АЦИИМ в различной помеховой обстановке.

Апробация. Основные положения диссертации с 1997 по 2004 гг. докладывались на десяти Межвузовских, Всероссийских и Международных научно-технических конференциях и сессиях:

1) 50-я, 51-я и 52-я Научно-технические конференции МИРЭА (Москва, 2001-2002 и 2003 гг.);

2) 1-я Межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 97» (Москва, 1997 г.),

3) 3-я Всероссийская научно-практическая конференция (Ульяновск, 2001 г.);

4) ЬУП научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 2002 г.);

5) 7-я научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости ЭМС-2002 (Санкт-Петербург, 2002 г.);

6) 9-я Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003 г.);

7) Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию гражданской авиации России (Москва, 2003 г.);

8) Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 2004 г.).

Внедрение результатов работы. Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли отражение в отчетах по одиннадцати НИР и использованы в ФГУП «ЦНИИ Комета» и ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, что подтверждается соответствующими актами внедрения. Результаты внедрены в учебный процесс в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете). Материалы разделов 2-3 диссертации, связанные с исследованием энергетических и спектральных свойств сигналов АЦИИМ, используются в лекционных курсах «Устройства

приема и обработки сигналов», «Модемы и кодеки», а также в курсовом и дипломном проектировании.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано тринадцать работ, включая тезисы докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и библиографического списка литературы, включающего 70 наименований. Общий объем диссертации составляет 118 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок, 13 таблиц.

Диссертация выполнена при финансовой поддержке в форме гранта Федерального агентства по образованию, полученного по итогам конкурса 2004 года на соискание грантов для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов ВУЗов Федерального агентства по образованию.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования и основные решаемые задачи, показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов, определены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе дается описание изпользуемых в работе моделей каналов связи и основных типов характерных для них помех Здесь же приводится подробное описание сигнальных форматов АЦИИМ и основных определяющих их параметров и излагается принятая классификация рассматриваемых сигналов На входе имеющегося в составе СПДИ приемника присутствует процесс

вида.

x(t) = s(t,Ck) + n(t) + r]{t,X), где s(t,Ck) - полезный сигнал, Ск =[С|,...,С4] - вектор информационных символов, передаваемых с первого по к -й тактовый интервал и выбираемых из набора {-т + \,-т + Ъ,...,т-\}, т - основание первичного алфавита, и(/) - аддитивный гауссовский белый шум с односторонней спектральной плотностью мощности jV0, vi1^) ~~ структурная (нефлуктуационная) помеха, характеризуемая вектором случайных параметров X В работе рассмотрены следующие основные типы структурных помех: гармоническая, помеха, модулированная по фазе двоичной псевдослучайной последовательностью (помеха ПСП-ФМ), и ретранслированная.

В самом общем виде сигнал семейства МНФ записывается следующим образом:

j(f,Ck)=/i0cos[ü'oi + <p(?,Ck) + <»0], te((k-l)T,kT], (1)

где функция <*>(/,Ск) определяется как

<f('.ck) = 2яХсА?[' - (' - О7"] • (2)

В (1)—(2), помимо общепринятых и описанных выше, использованы следующие обозначения: h, - индекс модуляции на /-ом тактовом интервале, q(t) - фазовый импульс (ФИ), представляющий собой функцию, определенную на интерва-

ле времени [0,+оо], которая возрастает от нуля до величины j при t е [0,17"] и остается равной | при t> LT. Часто рассматривают также частотный импульс

(ЧИ): =

at

Приняты следующие способы классификации сигналов МНФ:

1) в зависимости от объема т первичного алфавита выделяют двоичные (т- 2) и многопозиционные (/я > 2) сигналы МНФ;

2) в зависимости от формы ЧИ выделяют:

• сигналы ПРМНФ с прямоугольным ЧИ и, соответственно, линейным ФИ вида q{t) = ;

• сигналы ПКМНФ с ЧИ в виде «приподнятого косинуса», которо-

if' 1 • 2я-Л

му соответствует ФИ вида q(t) = —---sin- ;

2\TL Ik LT J

• сигналы ПСМНФ с ЧИ в виде «полупериода синусоиды». Соответствующий ФИ имеет вид q(í) = - cos-^j;

• существуют также некоторые другие формы ЧИ, однако, наибольшее распространение получили перечисленные выше;

3) в зависимости от длины L ЧИ рассматривают сигналы с полным (L = 1) или частичным {L > 2) откликом. Устоялась специальная система обозначений, отражающая пп.2-3 приведенной классификации, в рамках которой длина ЧИ (п.З) записывается перед сокращенным обозначением вида сигнала в зависимости от формы ЧИ (п.2), например, 1 ПРМНФ, ЗПКМНФ и т д ;

4) в зависимости от того, является ли индекс модуляции постоянной величиной или изменяется по некоторому заданному правилу, выделяют сигналы с фиксированным индексом модуляции (h, = const V/ el сигналы с циклически

изменяющимся индексом (ЦИИМ) и сигналы АЦИИМ. Поскольку сигналы ЦИИМ и АЦИИМ относятся к классу МНФ, на них также распространяется классификация пп.1-3. Т.е помимо специфических особенностей, характеризующих данные сигнальные форматы, сигналы ЦИИМ и АЦИИМ определяются видом и длительностью ФИ и размером первичного алфавита.

Индексы модуляции сигнала АЦИИМ меняются на каждом тактовом интервале, причем текущий индекс определяется не только номером (как в сигнале ЦИИМ) передаваемого информационного символа, но и его значением. Индексы

модуляции берутся из одного из наборов H"m+1 =|/ifm+l,/jJ'n+,...J,

Н'т+3 = {Afm+3,/!2m+3, ..},..., Н"1'1 = |й1т"1,/!1т~1,...|, количество которых соответствует объему первичного алфавита. Аналитическое выражение для определения индекса Л,, входящего в (2), для сигнала АЦИИМ записывается следующим образом-

н

-т+1

((-1)т<к)ЛтН_т+| + 1

н

-т+З

тек) с||тН-т + 1

, С, = -т + 1 , С, = —т + 3

н

н

т-3

(<-1) тоа сЬтН т-1

»-з+1.С, = т-3 1

*0-1)то<1 бшН"-1 +ГС' = ,я~] На практике рассматриваются сигналы АЦИИМ с относительно небольшим количеством индексов в наборах, для которых, как правило, сКтН1 <4 V/= -т + 1,-т + 3,...,т-1. Особенности поведения фазы сигналов АЦИИМ удобно рассматривать с использованием фазовых диаграмм, которые представляют собой множество возможных траекторий функции <р(г,Ск) во времени в зависимости от передаваемой информационной последовательности. На рис. 1 приведена фазовая диаграмма двоичного сигнала 1ПРМНФ АЦИИМ, формируемого на основе наборов индексов Н+1 =|/г1+';Л21| и Н"1 ={л,-1| При построении дополнительно учтено условие АГ'<Л,+1 <А2+).

Помимо степеней свободы, харак-; терных для всех сигналов семейства ,МНФ (вид и длительность ФИ, индекс модуляции), сигналы АЦИИМ имеют до; полнительные: количество индексов в на-' борах и их значения. Изменяя и комбинируя данные параметры, можно влиять на ' свойства получаемых сигнальных форматов АЦИИМ для достижения необходимых характеристик последних. Поэтому колебания АЦИИМ обладают существенно большей гибкостью по сравнению с сигналами МНФ с постоянным индексом модуляции и являются особенно перспективными для подробного исследования и последующего применения в проектируемой радиоаппаратуре.

Второй раздел диссертации посвящен исследованию энергетической эффективности сигналов АЦИИМ. Для приема сигналов АЦИИМ применяется метод максимального правдоподобия последовательности с поэлементным вынесением решения, который предполагает принятие решения о символе С] на основе результатов анализа процесса х(/) на интервале времени (О,ТУГ], о символе С2 - на основе результатов анализа сигнала на интервале (Т,(М + и т д

Для анализа помехоустойчивости сигналов АЦИИМ, принимаемых на фоне белого шума при больших отношениях сигнал/шум, можно использовать аддитив-

Рис.

. Фазовая диаграмма сигнала 1ПРМНФ АЦИИМ

ную границу средней вероятности ошибочного приема, представляющую собой оценку сверху ее величины

P.Z-

1-Ф

D„

(4)

где Ф( ) - интеграл вероятностей, £>тш - минимальное евклидово расстояние в пространстве сигналов между реализациями и | исходного сиг-

нала длительностью N тактовых интервалов, промодулированными всеми возможными информационными последовательностями С^ и С^ с несовпадающими первыми символами С{ * . (У„ар - количество удовлетворяющих описанным условиям и участвующих в усреднении в (4) пар реализаций ^ и Г - количество пар реализаций, для которых евклидово расстояние

равно От1П Таким образом, в качестве параметра, характеризующего энергетическую эффективность сигнлов АЦИИМ, можно рассматривать квадрат минимального евклидова расстояния . Для сравнения сигналов АЦИИМ с различным основанием первичного алфавита удобно использовать нормированное

2 П2 значение с/т1п =—!ШМо£2 т 2 Е

Далее во втором разделе диссертации рассмотрено влияние структурных помех на потенциальную помехоустойчивость сигналов АЦИИМ. Добавление такой помехи в канал связи геометрически можно рассматривать как сложение вектора, соответствующего данной реализации помехи г] (*,>.), с вектором, соответствующим одному из двух сигналов и |. Еклидово расстояние от смещенной сигнальной точки до границы областей правильного и неправильного приема при этом определятся как

£> 1 ЫТ

!.J

(5)

I.J О

а верхняя граница вероятности ошибочного приема записывается в виде

С пар

1-Ф

D'

(6)

где D'mm = min D\ , а угловые скобки означают усреднение по случайным пара-

hj <*j

метрам помехи Описанный способ расчета позволяет произвести анализ помехоустойчивости сигналов АЦИИМ при одновременном наличии в канале связи белого шума и структурной помехи.

Для определения сигнальных форматов АЦИИМ, обладающих оптимальными энергетическими характеристиками, программно была реализована опти-

мизационная процедура, осуществляющая максимизацию многоаргументной функции о'тт(н"ш+1,...,Нт"1При этом используется одна из наиболее эффективных модификаций метода покоординатного подъема - метод Хука-Дживса. Анализ полученных данных позволил выявить в рамках заданных сигнальных форматов максимально достижимые значения параметра о1 и закономерности, которым должны подчиняться индексы модуляции, при которых эти значения достигаются. Так как зависимости ^Н"т+|,...,Нт"11 обладают

выраженной многомодальностью, общее количество найденных оптимальных наборов индексов оказалось очень большим Сигналы АЦИИМ, которые в рамках данного сигнального формата обеспечивают максимальную помехоустойчивость передачи в условиях шумовой помехи, приведены в таблице. В столбцах 25 таблицы приведены параметры, описывающие данный сигнальный формат АЦИИМ, в столбце 6 показаны аналитические взаимосвязи между оптимальными значениями индексов, а в столбцах 7-9 - соответствующие данному сигнальному формату значения параметра энергетического выигрыша А0 по сравнению с сигналом ФМ-2 (для которого = 2), а также величина рассчи-

2 Е

танной по (4) вероятности ошибочного приема при -= 10. Как видно из при-

Л'о

веденных в таблице данных, энергетический выигрыш, достигаемый при использовании двоичных сигналов АЦИИМ, приближается к 2,9 дБ (при глубине анализа 7 тактовых интервалов), а при использовании четырехпозиционных сигналов АЦИИМ - к 4,2 дБ (при глубине анализа 5 тактовых интервалов).

В заключительной части второго раздела в соответствии с (5)-(6) рассчитаны вероятности ошибочного приема оптимальных в белом шуме сигнальных форматов АЦИИМ при дополнительном наличии в канале связи структурной помехи. Оценена степень негативного воздействия каждой из помех на качество передачи, установлены основные закономерности, определяющие влияние параметров сигнала на его устойчивость к воздействию таких помех. Соответствующие рассмотренным типам структурных помех значения вероятности ошибочного

го приема, рассчитанные при -^— = 10 и отношении структурная помеха/сигнал

по напряжению, равном 0,2, приведены в таблице в столбцах 10-12

Третий раздел посвящен исследованию спектральных свойств сигналов АЦИИМ. Получение в аналитическом виде выражения для спектральной плотности для большинства таких сигналов затруднительно, что объясняется сложностью аналитического описания формата АЦИИМ, в первую очередь, правила (3) чередования индексов модуляции при смене тактовых интервалов. Поэтому для исследования частотных свойств данных сигналов используется численный

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

№ т ФИ N сШпН"1, ЩтН+1 Правила вычисления индексов 2 ^ шт Щ, дБ Ре Ре гарм. Ре ПСП-ФМ Реретр. Оптим по индексы

1 1ПС МНФ 3 1 2 А,"1 + Л1+1=1,54 2,69 1.29 6,7-10~9 3,1 - ю-7 1,2-10"7 4,6-Ю"7 {0,68} {0,86,0,48} 2,92

2 ? 1ПР МНФ 4 1 2 Л,-1 +Л,+1 = 1,58 ЙГ1+Л21 = 1'15 3,13 1,94 6,МО"10 4,1 10"8 6,1 ю-9 3,6 10~8 {0,83} {0,75; 0,32} 4,12

3 1ПК МНФ 5 1 2 й,-1+/г1+1 = 1,02 ЛГ* + й21 = 1.35 3,44 2,36 1,7-10_п 3,6-Ю-9 5,4-Ю40 3,8-Ю-9 {0,64} {0,38; 0,71} 3,20

4 ЗПР 6 1 А1~1 + А1+1=2,27 3,63 2,58 1,4-Ю-'1 1,510-9 1.510-10 2,0-Ю"9 {1,17} 2,64

МНФ 7 1 3,88 2,88 4.610"13 1,8-Ю"10 1,5 10~п 3,2-Ю"10 {1,10}

5 1ПР МНФ 3 1 1 1 2 А]-1 = 3/?1~3 -1,50 А*' = 3,17-ЗАр3 А,+3=1.58-А,_3 А£3 = 1,50-А]-3 4,15 3,17 2.810"8 3,8-10~8 3,2 Ю-8 1,6-10"7 {0,75} {0,75} {0,92} {0,83; 0,75} 3,53

6 4 2ПС МНФ 4 1 1 1 1 ЙГ1 =3й,~3-2,38 А,+1=4,76-ЗА,~3 Л[+3 =2,38-Л,_3 4,87 3,87 1,9-Ю-10 3,9 Ю-9 1,510-9 4.6 Ю-9 {1,20} {1.22} {1,16} {1,18} 2,63

7 2ПС МНФ 5 1 1 1 1 А]""1 = ЗА{"3 - 2,33 А,+1=4,б6-ЗАГ3 А1+3 = 2,33-Л1-3 5,24 4,19 4,5 ■ Ю-10 6.4-Ю-10 1,9 Ю"10 2,110"ш {1,18} {1,21} {1,12} {1,15} 2.59

метод, позволяющий получить значения отсчетов спектральной плотности мощности сигнала. В соответствии с данным методом на первом этапе вычисляются дискретные преобразования Фурье (ДПФ) от N реализаций сигнала АЦИИМ, соответствующих случайным образом выбранным информационным последовательностям Ск . Арифметическое усреднение полученных ДПФ позволяет получить отсчеты комплексного спектра исходного сигнала АЦИИМ, после чего результирующие отсчеты спектральной плотности мощности рассчитываются как квадрат модуля последнего Для сравнения между собой сигналов АЦИИМ по спектральным характеристикам в соответствии с «Рекомендацией МСЭ-Р 8М.328 «Спектры и ширина полосы частот излучений» Международного Союза Электросвязи используется показатель эффективной ширины спектра 2Д^99-9Гй, в которой сосредоточено 99,9% от общей мощности сигнала. Введение параметра 2&Г999ТЬ (в данной записи учтен переход к нормированному паТ

раметру Ть =-) позволяет использовать его для вторичной оптимизации

1о¿2т

ранее обнаруженных сигнальных форматов АЦИИМ, обладающих выгодными энергетическими характеристиками. На данном этапе для сигналов АЦИИМ, высокие значения параметра для которых достигаются в рамках найденных аналитических взаимосвязей между значениями индексов модуляции, были

выявлены конкретные значения индексов, позволяющие при данном 2

2 3 <вГ

2?

Оптимальное сочетание индексов

сигналом полосу частот (параметр 2АР999Гй) Соответствующие сочетания индексов и значения параметра 2Д/Г999ГЛ для нескольких сигналов АЦИИМ приведены в столбцах 13-14 таблицы. В качестве иллюстрации влияния дополнительной оптимиза-"ции сигнального формата по критерию 2ЛР99 9Г4 на его поведение в частотной области на рис. 2 показаны два энергетические спектра, соответствующие сигналу № 3. Первый из них рассчитан при оптимальном сочетании индексов, приведенном в таблице (для него эффективная ширина полосы 2АР99 9Тъ = 3,20), второй - при сочетании индексов (Н_1={0,25}, Н+1 ={0,77; 1,10}), которому соответствует наихудшее значение параметра 2Д^99 9Ть = 4,02 Т.е занимаемая данным сигналом полоса частот может быть уменьшена более чем в 1,25 раза при сохранении оптимальных энергетических свойств колебания, что показывает целесобразность и эффективность проведения вторичной оптимизации сигналов АЦИИМ по критерию 2АЯ999ТЬ.

Рис. 2. Влияние оптимизации по критерию 2Д/Г99 9Ть на вид спектра сигнала № 3

В заключительной части данного раздела приводятся рекомендации по выбору конкретных сигнальных форматов АЦИИМ в зависимости от требований по энергетическим и спектральным характеристикам, предъявляемым к разрабатываемой СПДИ, а также от помеховой обстановки, в которой предполагается ее эксплуатация. При формулировании рекомендаций дополнительно учтены различия рассматриваемых оптимальных сигнальных форматов АЦИИМ с точки зрения простоты их генерирования.

В четвертом разделе диссертации рассматриваются методы оптимального когерентного и квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ Методами ста-титической радиотехники получено следующее правило принятия решения о символе Ск, описывающее работу оптимального по критерию максимума апостериорной вероятности приемника двоичных сигналов АЦИИМ:

Ск=+1

Рр*{ск=-1) < с:—1

(7)

где С*к - решение о к -ом символе, а Рр5 (Ск ) - апостериорная вероятность символа Ск в момент времени I = (к + N -\)Т, определяемая следующим образом: (А+Л'-ОГ '

/ *(/ - (я -1)7*)** (/-(*-1 )т,с1„ск)а

Л»(С*) = *3«Ф

Nо

ЛГП

х £ | ехР

Сн1=±1 I

(к+М-])Г

х \ *(/-(ЛГ-2)7)44+1(/-(АГ-2)Г,с;.„СьС4+1)л

(к+Ы-2)Т

х £ ехр

х I х{1-{ы-г)т)зк+2({-{м-ъ)т,с1л,ск,ск^ск+2]ш

(к+Ы-2)Т

* Е

Ск+Ы-2=±'

ехр

( 2

N.

0 (к+Ы-2)Т

X £ ехР

"ГГ / + ('.Ск-ьСь- ->Ск+и_Л(И

))

где к - некоторая константа. Оптимальный алгоритм (7)-{8) является справедливым при произвольной глубине анализа N . В четвертом разделе диссертационной работы этот общий алгоритм конкретизирован в виде структурной схемы оптимального приемника сигналов АЦИИМ при глубине принятия решения N = 3 тактовых интервала.

В том же четвертом разделе рассмотрен оптимальный прием сигналов АЦИИМ со случайной начальной фазой <г>о(')> которая считается винеровским процессом. Априорные сведения о начальной фазе задаются уравнением Фокке-ра-Планка-Колмогорова:

где мр!(1,(р0) - апостериорная безусловная плотность вероятности независимого параметра <р0, а(^!,<р0) - коэффициент сноса, Ь(г,<рй) - коэффициент диффузии. С применением аппарата оптимальной нелинейной фильтрации получен алгоритм работы квазикогерентного приемника двоичных сигналов АЦИИМ, реализующий слежение за неизвестным параметром - начальной фазой сигнала -при глубине анализа N = 3 тактовых интервала. Соответствующий алгоритм принятия решения совпадает с (7)-{8) при /V = 3, а правило слежения за неизвестной начальной фазой записывается следующим образом:

Л Ы0 (9)

где ^о(') ~ формируемая в приемнике оценка начальной фазы, N- спектральная плотность мощности шума формирования, характеризующая интен-

2 (к*2)Т

сивность флуюуаций (г), с, =— |

(*+1)Г

2 (*+2)Т 8 8

Показано, что апостериорная дисперсия, достигаемая в результате работы алгоритма (9), определяется выражением

ъ ■ = I__=—^-= (10)

* 1 2д2<Ъ+2«Уо)> V 2 4

дро2

Далее в этом разделе проводится синтез структурной схемы оптимального квазикогерентного приемника сигналов АЦИИМ, реализующего алгоритм (7)-(9). В заключительной части четвертого раздела приводится ряд рекомендаций

по технической реализации полученных схем оптимальных приемников сигналов АЦИИМ с использованием микропроцессорной техники.

Пятый раздел посвящен вопросам моделирования на ЭВМ синтезированных алгоритмов приема сигналов АЦИИМ. При моделировании на ЭВМ алгоритма приема сигналов АЦИИМ необходимо программно генерировать сигнал и помеху, произвести последовательное принятие решения о необходимом количестве информационных символов по правилу, определяемому рассматриваемым алгоритмом, и определить результирующую вероятность ошибки Р* как отношение числа ошибочно принятых решений к общему количеству опытов. В начале данного раздела определяется количество опытов Nоп, необходимое для оценки заданного уровня величины Ре с допустимой относительной ошибкой а = 0,25 при значении доверительной вероятности / = 0,90. С использованием границы Чернова показано, что при таких значениях а и у искомое значение Nоп в диапазоне 10~б <Ре <]0_| связано с оцениваемой величиной Ре соотношением NопРе «100. Это означает, что для получения оценки Р*, удовлетворяющей условию Р = 0,9, необходимо продолжать эксперимент до момента фиксации 100 ошибок вне зависимости от количества принятых до этого символов.

Далее в рассматриваемом разделе подробно описывается способ программной реализации на ЭВМ алгоритмов (7)-(9), основанный на применении метода комплексных амплитуд, в соответствии с которым за счет представления сигнала и помехи в комплексной форме появляется возможность анализа их взаимодействия на нулевой частоте. С использованием данной методики произ-

'2 Е'

веден расчет ряда семейств зависимостей Ре

N о;

, обеспечиваемых синтезиро-

р ванными схемами приемников сиг-5 10 15 налов АЦИИМ, при приеме в раз-10-1 Л^,0Д = 10-1 личной помеховой обстановке. В ка- -. _ ___честве примера на рис. 3 показаны

Ю-2 ■2 такие зависимости, рассчитанные для

10 сигнала № 3 таблицы и обеспечивае-

1<Г3 мые правилом принятия решения (7)

= 10 -(8) в сочетании с алгоритмом сле-Ю"4 •

N Д = Ю-4—м д - о'' жения за неизвестной начальной фа-

~ 'ч. зой (9) при N = 3. Приведенные кри-

(2е\ вь1е соответствуют различным ин-

Рис. 3. Зависимости Ре\- для сигнала тенсивностям флуктуаций начальной

У^о) фазы, определяемым параметром

№ 3 таблицы при случайной <ра А'^Д, где Д - промежуток времени

между двумя соседними отсчетами. Кривая, соответствующая Л^А = 0, фактически относится к случаю оптимального когерентного приема сигнала АЦИИМ.

В последней части пятого раздела проводится исследование влияния интенсивности флуктуаций начальной фазы на апостериорную дисперсию й1ро (?) . Рис. 4 иллюстрирует влияние параметра Л^Д на поведение экспериментально

£,1 3 определенной апо-

! />(со'Л'роЛ = 10 стериорной дис-

0,075! . \ . , / Р^ПД = '0-3 "ерСИИ

сигнала № 3 таблицы. Здесь же показаны теорети-

0,050 0,025

Л?^,()Д = 10"4 ческие значения [____„ апостериор-

0 100 200 300 400",/ ной Дисперсии,

/г рассчитанные по

Рис. 4. Соотношение фактического £)ро и (10). Более высо-

__кий уровень оста-

теоретического значений дисперсии точных флуктуа-

ции в установившемся режиме при увеличении значения параметра Л^Д является следствием

того, что при этом увеличивается вероятность выбросов значений априорной фазы, которые приводят к возникновению заметных отклонений (р'й (/) от грп (/) Также по результатам моделирования установлено, что при увеличении Л'^ Д из-за более высокого уровня флуктуаций априорной фазы <р0 заметно повышается вероятность попадания ее очередного выброса в полосу захвата, что способствует более быстрому установлению процесса слежения

В заключении выделены основные полученные в диссертации результаты, даны выводы по работе и обозначены перспективные направления дальнейших исследований.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1) установлен факт наличия у сигналов АЦИИМ выгодных энергетических свойств. Выявлены сигнальные форматы АЦИИМ, позволяющие обеспечить энергетические выигрыши по сравнению с сигналом ФМ-2- до 2,88 дБ (для двоичных сигналов АЦИИМ при глубине анализа N = 7) и до 4,19 дБ (для четы-рехпозиционных сигналов АЦИИМ при N - 5);

2) по результатам исследования влияния структурных помех на качество передачи сигналов АЦИИМ установлено, что добавление в канал связи ПСП-ФМ помехи в наименьшей степени ухудшает помехоустойчивость передачи сигналов АЦИИМ. Влияние гармонической помехи на величину Ре оказывается более ощутимым, а ретранслированная помеха оказывает максимальное воздействие на качество передачи Обнаружено, что среди двоичных сигналов АЦИИМ при ¿ = 1 сигнальные форматы 1ПКМНФ в наибольшей степени подвержены воздействию рассмотренных нефлуктуационных помех, а для двоичных сигналов Ь ПРМНФ увеличение Ь повышает степень подверженности качества работы СПДИ негативному влиянию структурных помех.

3) выявлены основные закономерности, характеризующие влияние параметров сигнала АЦИИМ (основания первичного алфавита, вида и длительности ФИ, значений индексов модуляции) на его спектральные свойства. Установлено, что в частотной области сигналы АЦИИМ с т = 2 и от = 4 характеризуются одинаковыми особенностями поведения, причем сигналы с более сложными формами ФИ (¿ПКМНФ, ¿ПСМНФ) по сравнению с форматами 1ПРМНФ обладают рядом преимуществ, среди которых можно назвать наличие более гладких скатов спектра и существенно меньший уровень осцилляций вдали от центральной частоты. Обнаружено, что увеличение Ь приводит к сужению главного лепестка спектра сигнала АЦИИМ при одновременном заметном снижении уровня боковых лепестков и возрастании скорости убывания спектра вдали от центральной частоты. Установлено, что спектр сигнала АЦИИМ близок к спектру сигнала МНФ с постоянным индексом модуляции, равным усредненному значению, полученному от значений индексов, формирующих данный формат АЦИИМ;

4) обнаружены сочетания индексов модуляции, позволяющие добиться наиболее компактного вида спектра сигнала АЦИИМ при сохранении оптимальных значений показателей, характеризующих его энергетические свойства (достигнутое уменьшение ширины занимаемой полосы частот превышает 1,25 раза). В частности, для форматов АЦИИМ, значения энергетического выигрыша которых по сравнению с сигналом ФМ-2 приведены в п.1, в результате вторичной оптимизации по критерию эффективной ширины спектра получены сочетания индексов модуляции, обеспечивающие, соответственно, оптимальные значения данного параметра 2АРд9 9Ть =2,64 и 2ЛР99 9Г4 =2,59. По результатам проведенной двухпараметрической оптимизации сигналов АЦИИМ даны рекомендации по выбору для применения в разрабатываемой радиоаппаратуре конкретных сигнальных форматов в соответствии с предполагаемыми условиями эксплуатации СПДИ (помеховой обстановкой, загруженностью радиоэфира) и имеющимися ограничениями на сложность устройств формирования полезного сигнала;

5) с использованием методов статистической радиотехнкии и теории нелинейной фильтрации марковских непрерывно-дискретных процессов получены оптимальные алгоритмы когерентного и квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ Алгоритм когерентного приема получен для произвольной глубины анализа, а для случая N = 3 синтезированы структурные схемы оптимальных приемников и даны рекомендации по их реализации на современной цифровой базе, что позволяет получить компактное и рациональное техническое решение;

6) проведено моделирование на ЭВМ работы синтезированных алгоритмов приема сигналов АЦИИМ, по результатам которого оценено обеспечиваемое ими качество приема в различной помеховой обстановке. Подтверждена эффективность и устойчивость полученных алгоритмов в широком диапазоне значений отношения сигнал/шум и интенсивности флуктуаций начальной фазы;

7) исследовано влияние интенсивности флуктуаций неизвестной начальной фазы на характеристики качества приема сигналов АЦИИМ. К основным выявленным закономерностям, имеющим место при увеличении интенсивности флуктуаций <р0 (параметра А), можно отнести заметное сокращение

времени вхождения в режим слежения и такое же относительное повышение

уровня апостериорной дисперсии в стационарном режиме (более чем в три раза при увеличении значения параметра N^A на порядок). Также выявлена более

сильная подверженность сигналов ¿ПРМНФ негативному влиянию флуктуаций <р0 по сравнению с сигналами АЦИИМ со сложными формами ФИ.

Публикации автора по теме диссертации

1. Парамонов К.А. Энергетическая эффективность сигналов АЦИИМ. Тезисы докладов 1 межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 97», М.: МИЭТ, 1997. - 4.2 - С.41.

2. Парамонов К.А. Оценка энергетической эффективности сигналов АЦИИМ на конечных интервалах анализа. Теория и методы приема и обработки сигналов Межвузовский сборник научных трудов. М.: МИРЭА, 1998. - С. 63-67.

3. Парамонов К.А. Пакет программ расчета характеристик модулированных сигналов Сб научн тр. 50-й научн.-техн. конференции МИРЭА - М.: МИРЭА, 2001. - 4.2 - С. 84-90.

4. Парамонов К.А. Спектральные свойства сигналов АЦИИМ // В кн. Вопросы повышения эффективности радиоэлектронных систем: Межвуз. сб научн. тр. -М.: МИРЭА, 2001. -С. 13-20.

5. Парамонов К А. Влияние гармонической помехи на помехоустойчивость передачи сигналов АЦИИМ //В кн.: Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем. Тр 3-й Всероссийской научн.-практ Конференции. - Ульяновск: УлГТУ, 2001. - С. 85-87.

6 Куликов Г.В., Парамонов К.А. Верхняя граница вероятности ошибочного приема сигналов ЦИИМ в присутствии нефлуктуационных помех // Труды 51 науч.-техн. конф МИРЭА: Сб. науч. тр. - М/ МИРЭА, 2002. - 4.2 - С. 76-81.

7. Куликов Г.В., Парамонов К.А. Влияние нефлуктуационных помех на помехоустойчивость приема сигналов ЦИИМ // Сб. тез. докл. науч.-техн конференции РНТОРЭС им. А.С.Попова. - М.: 2002. - 4.2 - С. 81-84.

8. Куликов Г.В., Парамонов К.А. Влияние нефлуктуационных помех на помехоустойчивость приема сигналов ЦИИМ с фазовыми импульсами сложной формы // Сб докл 7-й науч.-техн. конференции по электромагнитной совместимости ЭМС-2002 - С-Пб.: ВИТУ, 2002. - С. 346-350.

9 Куликов Г.В., Баланов M Ю , Парамонов К А. Адаптивная фильтрация сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции в условиях действия нефлуктуационных помех // Труды 9-й Международной науч.-техн. конф «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж: 2003. - С. 17-22.

10 Парамонов К.А. Оптимальный прием сигналов АЦИИМ // Сб. тез. докл. международ, науч.-техн конференции, поев. 80-летию гражданской авиации России. - М.: МТУ ГА, 2003. - С. 157

11. Парамонов К.А. Оптимальный приемник сигналов АЦИИМ // Сб. трудов 52-й научн.-техн. конференции МИРЭА. - М.: МИРЭА, 2003. - Ч.З - С. 7-11.

12. Парамонов К.А. Оптимальная нелинейная фильтрация сигналов АЦИИМ // Сб. докл Всероссийской научн-техн. конференции. - М/ МЭИ, 2004.-С. 188.

13 Парамонов К.А Вероятность ошибки оптимального приемника сигналов АЦИИМ // В кн. Методы и устройства помехоустойчивого приема радиосигналов: Межвуз. сб. научн. тр. - М.: МИРЭА, 2005. - С. 26-31.

Подписано в печать 13.01.2005. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 5

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Л540

Оглавление.

Список сокращений.

Введение.:.

1. Модель канала передачи данных, сигналы МНФ.

1.1. Модель канала передачи данных.

1.2. Общее описание сигналов МНФ и их классификация.:.

1.3. Сигналы МНФ с изменяющимся индексом модуляции.

1.3.1. Сигналы ЦИИМ.

1.3.2. Сигналы АЦИИМ.Г.:.

2. Энергетическая эффективность сигналов АЦИИМ.

2.1. Методика оценки энергетической эффективности сигналов МНФ. 2.2. Методика оценки энергетической эффективности сигналов АЦИИМ при наличии в канале связи флуктуационной помехи.■.

2.3. Исследование плотности верхней границы вероятности ошибочного приема.

2.4. Методика оценки энергетической эффективности сигналов АЦИИМ при наличии в канале связи нефлуктуационной помехи.

2.4.1. Гармоническая помеха.

• 2.4.2. Помеха ПСП-ФМ.

2.4.3. Ретранслированная помеха.

2.5. Оптимизация сигнальных форматов АЦИИМ.

2.6. Выводы.

3. Спектральные свойства сигналов АЦИИМ

3.1. Методика исследования спектральных свойств сигналов АЦИИМ

3.2. Параметры используемой методики.

3.3. Численная оценка спектральных свойств сигналов АЦИИМ.

3.4. Спектральные свойства сигналов АЦИИМ.

3.5. Выводы .:.:.

4. Алгоритмы приема сигналов АЦИИМ.

4.1. Алгоритм когерентного приема.

4.2. Квазикогерентный алгоритм.

4.2.1. Алгоритм оценки дискретного символа. 4.2.2. Алгоритм оценки начальной фазы сигнала.■.

4.3. Выводы.

5. Моделирование алгоритмов приема

5.1. Оценка необходимой длительности тестовой последовательности информационных символов.

5.2. Алгоритм когерентного приема.

5.3. Квазикогерентный алгоритм .:.

5.4. Выводы.

Для последних десятилетий характерными являются стремительные темпы развития техники передачи дискретных сообщений. Это обусловлено, в первую очередь, значительным увеличением количества технических устройств и комплексов, функционирование которых предполагает оперирование.большими объемами дискретной информации. К ряду подобных систем, чрезвычайно актуальных в настоящее время, можно отнести системы мобильной и спутниковой связи, системы беспроводной связи между персональными компьютерами и компьютерными сетями, основными функциональными устройствами которых являются радиомодемы, системы пейджинговой связи, некоторые системы телеметрии, системы специального назначения и многие другие.

Динамичное развитие современной техники предъявляет весьма жесткие требования к радиосистемам, осуществляющим передачу дискретной информации. Внедрение энергосберегающих технологий, стремление к экономичности и миниатюризации аппаратуры, территориальное расширение зон ее функционирования вызывают необходимость построения систем с максимальной энергетической эффективностью. Высокая плотность заполнения рабочего диапазона частот радиоэфира заставляет при разработке систем передачи дискретной информации (СПДИ) уделять особое внимание их спектральной эффективности, в первую очередь, узкополосности [46-47,60,29] (соответствующие методы численной оценки внепо-лосных излучений определены в разработанной Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) «Рекомендации 328» МСЭ-Р [67]). Огромные объемы данных, циркулирующих в современных системах,' обусловливают высокие скорости передачи. Все сказанное определяет необходимость повышения энергетической эффективности создаваемых радиосистем и снижения уровня внеполосных излучений. В первую очередь, возможность успешного решения названных задач определяется выбором вида сигналов, используемых для передачи данных.

Одной из основных характеристик СПДИ является помехоустойчивость передачи информации, соответственно, важной проблемой, возникающей при их проектировании и разработке, является разработка алгоритмов приема и обработки сигналов заданного вида, позволяющих обеспечить необходимую достоверность принимаемой информации в различной помеховой обстановке. .

Теория и техника приема дискретных сигналов приобрела бурные темпы развития после публикации В.А.Котельниковым в 1940-50-х годах ряда основополагающих работ по теории потенциальной помехоустойчивости. Появившиеся в 50-е годы труды С.О.Райса, в первую очередь, посвященные приему многопозиционных сигналов,' устанавливали взаимную связь между теорией оптимального приема и теорией информации, у истоков которой стоял К.Е.Шеннон. Существенный вклад в дальнейшее развитие современной теории приема дискретных сигналов внесли работы T.Aulin, C.E.Sundberg, А.Витерби, Д.Д.Кловского, Б.Р.Левина,.С.Б.Макарова, В.И.Тихонова, Л.М.Финка, И.А.Цизсина, и ряда других отечественных и зарубежных ученых. ' ■

В современных условиях при конструировании радиосистем все чаще возникает необходимость получения технических характеристик, которые не могут быть достигнуты с использованием ранее освоенных и ныне широко применяемых видов радиосигналов с амплитудной, частотной, фазовой и амплитудно-фазовой манипуляцией (соответственно, AM, ЧМ, ФМ и АФМ сигналы). В настоящее время ведется активный поиск и исследование новых сигналов, обладающих характеристиками, достаточными для удовлетворения высоких требований, предъявляемых к современным системам передачи информации. Весьма перспективными являются модулированные сигналы с непрерывной фазой (МНФ), которые привлекли внимание исследователей относительно недавно (первые упоминания появились в печати в середине 70-х годов [5]). Однако уже сейчас несложные разновидности этих сигналов включены в стандарт сотовой связи и в стандарт передачи данных армии США.

К настоящему времени опубликован ряд работ, посвященных сигналам МНФ (среди наиболее фундаментальных молено назвать [1-6,28] и ряд других), в которых нашли решение многие вопросы, связанные с исследованием сигналов МНФ и методов их приема. Однако в связи с тем, что формат МНФ достаточно сложен и имеет значительное количество степеней свободы, существуют малоисследованные или совсем неисследованные разновидности сигналов МНФ.

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что она направлена на. решение проблемы повышения энергетической и спектральной эффективности систем передачи дискретной информации по радиоканалам в различной помеховой обстановке, в первую очередь, сотовых и спутниковых систем мобильной связи. Такие системы, в числе прочих применений, имеют исключительное значение для географически крупных регионов с низкой плотностью населения и большим количеством малых населенных пунктов, а также для. труднодоступных районов. В нашей стране к таковым относятся многие регионы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера. Учитывая, что количество используемых СПДИ и масштабы их применения неуклонно возрастают, улучшение их характеристик имеет суще-' ственное значение для современной техники связи и определяет направление ее дальнейшего развития и совершенствования.

Целью работы является исследование перспективной разновидности сигналов МНФ - сигналов с асимметричными циклически изменяющимися индексами модуляции (АЦИИМ), разработка методов их приема, а также исследование эффективности данных методов в различной помеховой обстановке.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задан:

1) Исследование энергетической эффективности сигналов АЦИИМ при наличии в канале связи флуктуационных помех и структурных помех основных типов.

2) Анализ спектральных свойств сигналов АЦИИМ.

3) Разработка программных алгоритмов исследования и оптимизации сигнальных форматов АЦИИМ, их применение для многопараметрической оптимизации сигналов АЦИИМ для определения форматов, обладающих одновременно выгодными спектральными и энергетическими свойствами.

4) Синтез оптимальных; когерентного и квазикогерентного алгоритмов приема сигналов АЦИИМ.

5) Моделирование на ЭВМ работы алгоритмов приема сигналов АЦИИМ и анализ их помехоустойчивости в различной помеховой обстановке.

На защиту выносится теоретическое и экспериментальное обоснование использования в СПДИ предложенных сигнальных конструкций АЦИИМ и синтезированных алгоритмов их приема и обработки.

Основные научные положения, выносимые на защиту: i • сигналы АЦИИМ обладают более высокой энергетической эффективностью, чем j сигналы с традиционными видами модуляции. Энергетический выигрыш по сравнению с I сигналами ФМ-2 при использовании двоичных сигналов АЦИИМ приближается к 3 дБ (при |* глубине анализа 7 тактовых интервалов), а при использовании четырехпозиционных сигна-j лов АЦИИМ превышает 4 дБ (при глубине анализа 5 тактовых интервалов);

• использование сигналов АЦИИМ в каналах связи со структурными помехами позволяет повысить помехоустойчивость передачи информации по сравнению с сигналами с традиционными видами модуляции; i

• • имеются оптимальные сочетания индексов модуляции, позволяющие одновременно добиться высокой энергетической и спектральной эффективности сигналов АЦИИМ;

• спектр сигнала АЦИИМ близок к спектру сигнала МНФ с постоянным индексом модуляции, равным усредненному значению, полученному от значений индексов, формирующих данный формат АЦИИМ;

• сигналы АЦИИМ с фазовыми импульсами (ФИ) более сложной формы по сравнению с сигналами с ФИ линейной формы имеют более быстро и плавно убывающий спектр и их демодуляторы менее чувствительны к флуктуациям начальной фазы сигнала.

Апробация работы. Основные положения диссертации с 1997 по 2004 гг. докладывались на десяти Межвузовских, Всероссийских и Международных научно-технических конференциях и научных сессиях:

1) 50-я, 51-я и 52-я Научно-технические конференции МИРЭА (Москва, 2001- 2002 и 2003 гг.) •

2) 1-я Межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-97» (Москва, 1997 г.);

3) 3-я Всероссийская научно-практическая конференция (Ульяновск, 2001 г.);

4) LVII научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 2002 г.);

5) 7—я научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости ЭМС-2002 (Санкт-Петербург, 2002 г.);

6) 9-я Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003 г.);

7) Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию гражданской авиации России (Москва, 2003 г.);

8) Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 2004 г.).

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• определено значительное количество оптимальных сигнальных форматов АЦИИМ, обладающих рядом преимуществ по сравнению .с сигналами с традиционными видами модуляции, применение которых в радиосистемах позволяет повысить помехоустойчивость передачи информации;

• даны практические рекомендации по выбору конкретных сигнальных форматов АЦИИМ для использования в разрабатываемой радиоаппаратуре в зависимости от требований к проектируемым СПДИ и особенностей их применения. Предложены правила выбора сигналов с учетом энергетических и спектральных критериев, а также по простоте формирования формата АЦИИМ;

• разработаны методы приема и обработки сигналов АЦИИМ, предложены структурные схемы приемников, реализующих полученные оптимальные алгоритмы, и даны рекомендации по построению таких схем;

• разработана методика компьютерного моделирования работы алгоритмов оптимального приема сигналов АЦИИМ, в том числе, алгоритма, осуществляющего слежение за случайной начальной фазой колебания. С использованием данной методики проведено моделирование приема сигналов АЦИИМ в различной помеховой обстановке.

Основные результаты работы- внедрены в:

• Научно-исследовательском институте космических систем - филиале ГКНПЦ им. М.В.Хруничева в рамках реализации программы Союзного государства «Разработка и использование перспективных космических средств и технологий в интересах экономического и научно-технического развития Союзного государства» («Космос-СГ»);

• ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт «Комета» по итогам выполнения хозяйственных договоров между ФГУП «ЦНИИ «Комета» и Московским государственным институтом радиотехники, электроники и автоматики (техническим университетом);

• учебном процессе Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Научная новизна работы заключается в следующем:

• впервые для сигналов АЦИИМ проанализирована возможность применения приблизительных методов определения потенциальной помехоустойчивости приема в условиях как только белого шума, так; и при дополнительном наличии в канале связи структурной помехи. В соответствии с результатом анализа данные методы позволяют обеспечить высо- -кую степень приближения при существенном снижении необходимых вычислительных затрат;

• создана новая'методика многопараметрической оптимизация сигнальных форматов АЦИИМ по энергетическим и спектральным характеристикам, которая легла в основу разработанного при подготовке диссертации программного обеспечения. С ее использованием впервые проведена оптимизация сигналов АЦИИМ, по результатам которой определено значительное количество новых двух- и. четырехпозиционных сигнальных форматов, перспективных для применения в аппаратуре цифровой радиосвязи;

• впервые исследована помехоустойчивость приема сигналов АЦИИМ при наличии в канале связи структурных помех основных типов (гармонической, ретранслированной и фазоманипулированной помехи). По результатам анализа определена помеха (ретранслированная), оказывающая наиболее негативное влияние на качество приема сигналов АЦИИМ;- .

• методами статистической радиотехники и оптимальной нелинейной фильтрации впервые в общем виде получены алгоритмы оптимального когерентного и квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ на фоне шумовой помехи и синтезированы частные структуры приемников при произвольных сочетаниях индексов модуляции и глубине анализа 3 тактовых интервала; •

• на основе проведенного на ЭВМ математического моделирования работы синтезированных алгоритмов приема сигналов АЦИИМ показана их эффективность и устойчивость в широком диапазоне изменения отношения сигнал/шум и интенсивности флуктуаций начальной фазы.

По материалам диссертации опубликовано тринадцать работ.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и библиографического списка литературы, включающего 70 наименований.

5.4. Выводы

Настоящий раздел посвящен вопросам моделирования на ЭВМ алгоритмов приема сигналов АЦИИМ и изучению влияния помеховой обстановки на качество их передачи. По полученным в настоящем разделе результатам моделирования можно сделать следующие выводы:

• синтезированные алгоритмы приема являются эффективными и позволяют в каналах связи с флуктуационными помехами обеспечить более высокое качество приема по сравнению с сигналами ФМ-2;

• зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для всех рассмотренных сигнальных форматов АЦИИМ имеют схожий вид;

• полученные оптимальные алгоритмы когернтного и квазикогерентного приема сохраняют устойчивость в широком диапазоне изменения отношения сигнал/шум и интенсивности флуктуаций начальной фазы;

• алгоритм квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ позволяет обеспечить эффективное слежение за неизвестной начальной фазой сигнала без значительного ухудшения уровня вероятности ошибочного приема;

• при увеличении интенсивности флуктуаций начальной фазы (при значениях параметра # Д > 0,01) степень ее негативного влияния на качество приема сигналов АЦИИМ резко возрастает;

• увеличение интенсивности флуктуации: начальной фазы приводит к заметному сокращению времени вхождения в режим слежения и к такому лее относительному повышению уровня апостериорной дисперсии в установившемся релсиме слежения (более чем в три раза на порядок значения параметра N(pQ А );

• сигналы АЦИИМ с линейным ФИ более подверясены негативному влиянию флуктуаций начальной фазы, чем сигналы АЦИИМ со сложными формами.ФИ.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1) установлен факт наличия у сигналов АЦИИМ выгодных энергетических свойств. Выявлены сигнальные форматы АЦИИМ, позволяющие обеспечить энергетические выигрыши по сравнению с сигналом ФМ-2: до 2,88 дБ (для двоичных сигналов АЦИИМ при глубине анализа N = 7) и до 4,19 дБ (для четырехпозиционных сигналов АЦИИМ при N = 5);

2) по результатам исследования влияния структурных помех на качество передачи сигналов АЦИИМ установлено, что добавление в канал связи ПСП-ФМ помехи в наименьшей степени ухудшает помехоустойчивость передачи сигналов АЦИИМ. Влияние гармонической помехи на величину Ре оказывается более ощутимым, а ретранслированная помеха оказывает максимальное воздействие на качество передачи. Обнаружено, что среди двоичных сигналов АЦИИМ при L = 1 сигнальные форматы L ПКМНФ в наибольшей степени подвержены воздействию рассмотренных нефлуктуационных помех, а для двоичных сигналов L ПРМНФ увеличение L повышает степень подверженности качества работы СПДИ негативному влиянию структурных помех.

3) выявлены основные закономерности, характеризующие влияние параметров сигнала АЦИИМ (основания первичного алфавита, вида и длительности ФИ, значений индексов модуляции) на его спектральные свойства. Установлено, что в частотной области сигналы АЦИИМ с т = 2 и т = 4 характеризуются одинаковыми особенностями, поведения, причем сигналы с более сложными формами ФИ (L ПКМНФ, L ПСМНФ) по сравнению с форматами L ПРМНФ обладают рядом преимуществ, среди которых можно назвать наличие более гладких скатов спектра и существенно меньший уровень осцилляций вдали от центральной частоты. Обнаружено, что увеличение L приводит к сужению главного лепестка спектра сигнала АЦИИМ при одновременном заметном снижении уровня боковых лепестков и возрастании скорости убывания спектра вдали от центральной частоты. Установлено, что спектр сигнала АЦИИМ близок к спектру сигнала МНФ с постоянным индексом модуляции, равным усредненному значению, полученному от значений индексов, формирующих данный формат АЦИИМ;

4) обнаружены сочетания индексов модуляции, позволяющие добиться наиболее компактного вида спектра сигнала АЦИИМ при сохранении оптимальных значений показателей, характеризующих его энергетические свойства (достигнутое уменьшение ширины занимаемой полосы частот превышает 1,25 раза). В частности, для форматов АЦИИМ, значения энергетического выигрыша которых по сравнению с сигналом ФМ-2 приведены в п.1, в результате вторичной оптимизации по критерию эффективной ширины спектра получены сочетания индексов модуляции, обеспечивающие, соответственно, оптимальные значения данного параметра 2AFgg^T^ = 2,64 и lAF^ggT^ = 2,59. По результатам проведенной двухпараметрической оптимизации сигналов АЦИИМ даны рекомендации по выбору для применения в разрабатываемой радиоаппаратуре конкретных сигнальных форматов в соответствии с предполагаемыми условиями эксплуатации СПДИ (помеховой обстановкой, загруженностью радиоэфира) и имеющимися ограничениями на сложность устройств формирования полезного сигнала;

5) с использованием методов статистической радиотехнкии и теории нелинейной фильтрации марковских непрерывно-дискретных процессов получены оптимальные алгоритмы когерентного и квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ. Алгоритм когерентного приема получен для произвольной глубины анализа, а для случая N = 3 синтезированы структурные схемы оптимальных приемников и даны рекомендации по их реализации на современной цифровой базе, что позволяет получить компактное и рациональное техническое решение;

6) проведено моделирование на ЭВМ работы синтезированных алгоритмов приема сигналов АЦИИМ, по результатам которого оценено обеспечиваемое ими качество приема в различной помеховой обстановке. Подтверждена эффективность и устойчивость полученных алгоритмов в широком диапазоне значений отношения сигнал/шум и интенсивности флуктуаций начальной фазы;

7) исследовано влияние интенсивности флугстуаций неизвестной начальной фазы на характеристики качества приема сигналов АЦИИМ. К основным выявленным закономерностям, имеющим место при увеличении интенсивности флуктуаций <p0 (параметра N^A ),. можно отнести заметное сокращение времени вхождения в режим слежения и такое лее относительное повышение уровня апостериорной дисперсии в стационарном режиме (более чем в три раза при увеличении значения параметра N(pQA на порядок). Также выявлена более сильная подверлсенность сигналов L ПРМНФ негативному влиянию флуктуаций <р0 по сравнению с сигналами АЦИИМ со 'сложными формами ФИ.

Полученные при выполнении работы результаты свидетельствуют о перспективности сигналов АЦИИМ для применения в радиоаппаратуре передачи диеретной информцаии и могут быть использованы при проектировании и разработке СПДИ, имеющих широкую область применения.

В диссертации рассмотрен достаточно широкий круг вопросов, связанных с исследованием сигналов АЦИИМ и разработкой методов их приема, однако, в настоящее время в данной области научных знаний остается ряд перспективных направлений для дальнейших исследований. К их числу, в частности, относятся: оптимизация по энергетическим и спектральным свойствам сигнальных форматов АЦИИМ, имеющих отличные от рассмотренных в работе формы и длительности ФИ, синтез алгоритмов приема и получение структурных схем оптимальных приемников таких сигналов, разработка алгоритмов квазикогерёнтного приема сигналов АЦИИМ при одновременном наличии в канале связи флуктуационной и структурной помехи, решение залачи тактовой синхронизации и ряд других вопросов.

1. Anderson J.B., Aulin Т., Sundberg С.-Е. Digital Phase Modulation. N.Y.: Plenum Press,1986.

2. Aulin Т., Sundberg C.E. Continuous phase modulation: Part 1 Full response signaling // IEEE Trans, on Commun. - 1981. - Y. Com-29, № 3,

3. Aulin Т., Rydbeck N., Sundberg C.E. Continuous phase modulation: Part 2 Partial response signaling // IEEE Trans, on Commun. - 1981. - Y. Com-29, № 3.

4. Bhargava V.K., Haccoun D., Matyas R., Nuspl P.P. Digital communications by satellite. N.Y.: John Wiley & Sons, 1981.

5. De Buda R. Coherent Demodulation of Frequency-Shift Keying With Low Deviation Ratio/IEEE Trans. 1972. Vol. COM-20, № 6.

6. Fuqin Xiong. Digital Modulation Techniques. ISBN 0 89006 970 0, 2000.

7. Hwung H.-K., Lee L.-S., Chen S.-H. 1ЁЕЕ Jorn. on select, areas in commun, 1989, v.7,9.

8. Анго. А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.; Наука, 1967.

9. Атражев М.П., Ильин В.А., Марьин Н.П. Борьба с радиоэлектронными средствами. М:: Воениздат, 1972.

10. Банди Б. Методы .оптимизации. Вводный курс. М., Радио и связь, 1988.

11. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.; Высшая школа, 1983.

12. Быков В.В. Универсальная классификация радиоэлектронных помех // Труды 7-й Международной науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж: 2001.

13. Вакин С.А., Шустов JI.H. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. -М.: Сов. радио, 1968.

14. Возенкрафт Дж., Джекобе И. Теоретические основы техники связи. М.: Мир,1969.

15. Гоноровский И.С., Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986.

16. Данилина Н.И., Дубровская Н.С., Кваша О.П., Смирнов Г.Л., Феклисов Г.И. Численные методы. М.: Высшая школа, 1976.

17. Емельянов П.Б. Сигналы с асимметричными циклически изменяющимися индексами модуляции с высокой энергетической эффективностью // Радиотехника, 1994, № 9.

18. Емельянов П.Б., Куликов Г.В., Парамонов А.А. Анализ влияния нефлуктуацион-ных помех на помехоустойчивость приема сигналов передачи данных. Часть I: сигналы с фазовой манипуляцией //Межвузовский тематический сборник научных трудов. М.: МИИГА, 1990.

19. Емельянов П.Б., Парамонов А.А. Дискретные сигналы с непрерывной фазой // Зарубежная радиоэлектроника, 1990, № 12.

20. Защита от радиопомех / Под ред. Максимова М.В. М.: Сов. радио, 1976.

21. Информационные технологии в радиотехнических системах / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др.; Под ред. И.Б. Федорова М.: МГТУ им Н.Е.Баумана, 2003.

22. Клементенко А.Я., Панов Б.А., Свешников В.Ф. Контактные помехи радиоприему. -М.: Воениздат, 1979.

23. Константинов П.А., Парамонов А.А., Яманов Д.Н. Оптимальный прием детерминированных сигналов с минимальной частотной манипуляцией // Известия ВУЗов СССР. Радиоэлектроника, Том XXVI, № 11 Киев, 1983.

24. Корн Г., Корн. Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Пер. с англ. / Под общей ред. И.Г. Арамановича. ^ М.: Наука, 1974.

25. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. М.: Госэнергоиз-дат, 1956.

26. Кото усов А;С. Теоретические основы радиосистем. М.: Радио и связь, 2002.

27. Крохин В.В., Беляев В.Ю., Гореликов А.В., Дрямов Ю.А., Муравьев С.А. Методы манипуляции и приема цифровых частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой//Зарубежная радиоэлектроника, 1982, № 4.

28. Кукк К.И. Цифровое телевизионной вещание через спутниковые системы // Радио. 1999. -№ 9.

29. Куликов Г.В. Прием сигналов с циклически изменяющимся индексом манипуляции // В кн. Алгоритмы помехоустойчивого приема радиотехнических сигналов: Сб. науч. тр. -М.: МИРЭА, 1989.

30. Куликов Г.В. Помехоустойчивость корреляционного приемника сигналов МЧМ при наличии ретранслированный помехи // Сб. научн. тр. 50-й научн.-техн. конференции МИРЭА.-М.: МИРЭА, 2001,-4.2.

31. Куликов Г.В. Влияние гармонической помехи на помехоустойчивость корреляционного демодулятора сигналов МЧМ // Радиотехника. 2002. - № 7.

32. Куликов Г.В. Анализ влияния псевдослучайной фазоманипулированной помехи на помехоустойчивость корреляционного демодулятора сигналов с минимальной частотной манипуляцией // Радиотехника и электроника. 2002. - Т. 47, № 8.

33. Куликов Г.В. О влиянии некоторых нефлуктуационных помех на качество приема сигналов МЧМ с помощью автокорреляционного демодулятора // Научный вестник МГТУ ГА. Сер. радиофизика и радиотехника. М,: МГТУ ГА, 2002. -№51.

34. Куликов Г.В. Методы помехоустойчивого приема модулированных сигналов с непрерывной фазой в каналах связи с нефлуктуационными помехами. Дис. докт. техн. наук. — М.: МИРЭА, 2003.

35. Куликов Г.В., Парамонов К.А. Верхняя граница вероятности ошибочного приема сигналов ЦИИМ в присутствии нефлуктуационных помех // Труды 51 науч.-техн. конф. МИРЭА: Сб. науч, тр. М.: МИРЭА, 2002. - 4.2 - С. 76-81.

36. Куликов Г.В., Парамонов К.А. Влияние нефлуктуационных помех на помехоустойчивость приема сигналов ЦИИМ // Сб. тез. докл. науч.-техн. конференции РНТОРЭС им. А.С.Попова. -М.: 2002,- 4.2- С. 81-84.

37. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. СПб.: Политехника, 1998.

38. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. — М.: Радио и связь, 1989.

39. Макаров С.Б., Цикин И.А. Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания. М.: Радио и связь, 1988.

40. Мартиросов В.Е. Оптимальные алгоритмы приема дискретных сигналов // Радиотехника и электроника. 1985. - Т.ЗО, № 5.

41. Нормы 19-02. Нормы на ширину полосы радиочастот и внепол'осные излучения радиопередатчиков гражданского применения. М.: Экспо-Телеком, 2002.

42. ГОСТ 28934-91. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Номенклатура параметров и классификация технических характеристик.

43. Основы теории радиоэлектронной борьбы / Под ред. Николешсо Н.Ф. М.: Воен-издат, 1987.

44. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. М.: Воениздат, 1981.

45. Парамонов К.А. Энергетическая эффективность сигналов АЦИИМ. Тезисы докладов 1 межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика -97», -М.: МИЭТ, 1997. -4.2 С.41.

46. Парамонов К.А. Оценка энергетической эффективности сигналов АЦИИМ на конечных интервалах анализа. Теория и методы приема и обработки сигналов. Межвузовский сборник научных трудов. М.: МИРЭА, 1998. - С. 63-67.

47. Парамонов К.А. Пакет программ расчета характеристик модулированных сигналов. Сб. научн. тр. 50-й научн.-техн. конференции МИРЭА М.: МИРЭА,'2001. - 4.2 - С. 8490.

48. Парамонов К.А. Спектральные свойства сигналов АЦИИМ // В кн. Вопросы по-, вышения эффективности радиоэлектронных систем: Межвуз. сб. научн. тр. — М.: МИРЭА, 2001.-С. 13-20.

49. Парамонов К.А. Оптимальный прием сигналов АЦИИМ // Сб. тез. докл. международ. науч.-техн. конференции, поев. 80-летию гражданской авиации России. М.: МТУГА, 2003.-С. 157

50. Парамонов К.А. Оптимальный приемник сигналов АЦИИМ // Сб. трудов 52-й на-учн.-техн. конференции МИРЭА. М.: МИРЭА, 2003. - Ч.З - С. 7-11.

51. Парамонов К.А. Оптимальная нелинейная фильтрация сигналов АЦИИМ // Сб. докл. Всероссийской научн.-техн. конференции. М.: МЭИ, 2004. - С. 188.

52. Парамонов К.А. Вероятность ошибки оптимального приемника сигналов АЦИИМ // В кн. Методы и устройства помехоустойчивого приема радиосигналов: Межвуз. сб. научн. тр. М.: МИРЭА, 2005. - С. 26-31.

53. Радиотехнические системы передачи информации / В.А.Борисов, В.В.Калмыков, Я.М.Ковальчук и др.; Под ред. Калмыкова В.В. М.: Радио и связь, 1990.

54. Регламент радиосвязи Российской федерации. М.:ГКРЧ РФ, 1999.

55. Соболь И.М. Метод Монте-Карло. М.: Наука, 1978.

56. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.

57. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982.

58. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов.-М.: Советское радио, 1975.

59. Тихонов В.И., Харисов В.Н., Смирнов В.А. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов // Радиотехника и электроника. 1978. Т.23, № 7.

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

61. Методы управления использованием спектра. М.: Экспо-Телеком, 1997.

62. Уайт Д. Электромагнитная совместимость РЭС и непреднамеренные помехи. М.: Сов. радио, 1977.

63. Цветнов В.В., Демин В.П., Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба: радиоразведка и радиопротиводействие. — М.: МАИ, 1998.70.: Ярлыков М.С. Применение марковской теории-нелинейной фильтрации в радиотехнике.-М.: Сов. радио, 1980.