автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Системы синхронизации в цифровых системах связи

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА СИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ НА ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ КОНДЕНСАТОРАХ

1.1 Модель системы синхронизации с переключаемыми конденсаторами

1.2. Система синхронизации с переключаемыми конденсаторами при малом входном сигнале

1.3. Воздействие шума на систему синхронизации с переключаемыми конденсаторами

1.4. Алгоритм вычисления и результаты моделирования плотности распределения вероятности фазовой ошибки х

2. СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА МАКСИМУМА КОРРЕЛЯЦИИ ОТСЧЕТОВ

2.2 Характеристика следящей системы со схемой выбора по максимуму корреляции отсчетов при псевдошумовых сигналах

2.3 Выводы.

3. АНАЛИЗ СТОХАСТИЧЕСКОЙ ИФАС ВТОРОГО ПОРЯДКА.

3.1. Численное решение уравнения Колмогорова-Чепмена для ИФАС 2-го порядка с ПИФ.

3.2. Исследование статистических характеристик ФАП при гармонической помехе на входе

3 • 2 • ды 7 б

4. ПРИЕМ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ РАЗОМКНУТОЙ СИСТЕМОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

4.1. Модели систем связи

4.2. Характеристика и структура устройства оценки фазы в разомкнутой системе

4.3. Характеристика демодуляторов разомкнутой системы

4.4. Вероятность ошибочного приема символа для устройства оценки фазы разомкнутой системы в канале с медленным релеевским замиранием

4.5. Выводы.

Актуальность темы

Примерно к 60-м годам было четко осознано, что наибольшую помехоустойчивость обеспечивает когерентный (квазикогерентный) прием радиосигналов на фоне помех. При этом обязательным элементом квазикогерентных приемных устройств является система синхронизация, использующая схему фазовой автоподстройки (ФАП), которая формирует опорное колебание из принятого сигнала. Из-за неизбежных искажений переданного сигнала в канале и наличия помех разность фаз между принятым сигналом и опорным колебанием оказывается случайной. Структура схемы ФАП определяется видом принимаемого сигнала, характером помех и способом их комбинации. Здесь возможно большое число вариантов.

Однако область использования ФАП не ограничивается только квазикогерентным приемом сигналов, а гораздо разнообразнее. Их применяют в ситуациях, где необходимо обеспечить синхронное, согласованное по времени протекание двух или нескольких процессов.

Развитие техники связи поставило перед исследователями ряд новых задач, для решения которых существенное значение имеют статистические свойства сигнала и помехи.

Применение вероятностных методов позволило найти эффективные решения многих актуальных задач современной техники связи.

Фундаментальными работами по общей теории передачи сообщений явились работы В. А. Котельникова и К. Е. Шеннона. В них были сформулированы основные положение и теоремы современной теории помехоустойчивости и теории информации.

Дальнейшее развитие теория получила в трудах Д. В. Агеева, А. А. Харкевича, Д. Миддлтона, В. И. Сифорова и других ученных. Большое влияние на развитие теории оказали выдающиеся математики А. Н. Колмогоров, Н. Винер, А. Я. Хинчин.

Основные работы по ФАП проводились в России и представлены школами: МЭИ (М.В. Капранов, В.Н. Кулешов, Н.Н. Удалов), МТУСИ (В.В. Шахгильдян, А.В. Пестряков), Нижний Новгород (В.Д. Шалфеев, В.Н. Белых), МГТУ им. Н.Э. Баумана (Б.И. Шахтарин, В.В. Сизых), из иностранных ученых можно выделить А. Витерби, В. Линдсея и др.

Одним из основных методов исследования дискретных (импульсных и цифровых) систем синхронизации является метод марковских и полумарковских случайных процессов и цепей, разработанный А.Н. Колмогоровым и JI.C. Понтрягиным и примененный к исследованию ФАП В. И. Тихоновым и P.JI. Стратоновичем. К б 0-м годам были известны приближенные решения уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова для непрерывных моделей ФАП при наличии на их входе аддитивной смеси гармонического сигнала и широкополосного шума. С математической точки зрения задача сводилась к поиску методов решения указанных уравнений с учетом счетного числа устойчивых состояний равновесия, специфичных начальных, граничных и других условий, а также выбора аналитических и численно-аналитических методов исследования. Одним из первых в 1940 г. аппарат марковских случайных процессов применил Х.А. Крамере при изучении химических реакций.

Восстановление несущей и фазовая синхронизация постоянно исследовались в течение последних десятилетий. Всесторонний анализ ФАП сначала появился в книгах В.И. Тихонова (1966), А. Витерби (1966) и Ф.М. Гарднера (1979). Книги, которые охватывают вопросы восстановления фазы несущей и техники синхронизации, были написаны В. И. Тихоновым (1983, 1986, 1991), Дж. Дж. Стиффлером (1971), В. Линдсеем (1972), В. Линдсеем и М. Саймоном (1973), В.В. Гинзбургом и А.А. Каяцкасом (1974), X. Мейером и Г. Ашайдом (1990), Б.И. Шахтариным (1996, 1998, 1999) .

Цели и задачи диссертации

Настоящая диссертационная работа посвящена применению компьютерного моделирования в сочетании с качественными аналитическими методами теории вероятности случайных процессов к цифровым системам синхронизации (ЦСС).

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи.

1)Исследование системы синхронизации (СС) с переключаемыми конденсаторами (ПК) . Получение статистических характеристик СС с ПК первого и второго порядков. Выдача рекомендаций на использование СС с ПК.

2) Анализ квазиоптимальной схемы ЦСС, построенной по алгоритму выбора максимума корреляции отсчетов.

3)Исследование приема фазоманипулированных (ФМ) сигналов при разомкнутой ЦСС. Расчет вероятностей ошибочного приема символа и среднеквадратической ошибки оценки фазы.

4)Анализ импульсной СС с вырожденным и невырожденным пропорционально-интегрирующими фильтрами.

5) Анализ импульсной СС при наличии на входе сигнала, шума и гармонической помехи.

Метод исследований

В работе использованы результаты и методы теории функций комплексной переменной, разностных и интегральных уравнений, теории случайных процессов (марковских и полумарковских) и численное моделирование.

Научная новизна

С использованием методов компьютерного моделирования

1)Исследована статистическая динамика СС с ПК;

2)Представлена вероятность ошибочного приема символов ФМ сигналов для разомкнутой ЦСС;

3)Получена дисперсия ошибки ФМ сигналов для разомкнутой ЦСС;

4) Дан сравнительный анализ дисперсии ошибки ФМ сигналов в установившемся режиме в гауссовом и релеевском каналах, вероятности ошибочного приема символов ФМ сигналов в установившемся режиме и режиме захвата.

5) Получены аналитические зависимости среднего времени установления синхронизации и качества достигнутой синхронизации для различных типов и мощностей шумовых помех

6) Найдены плотности вероятности сигнала рассогласования в импульсной ФАП.

Достоверность результатов диссертационной работы

Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена тем, что результаты получены на базе фундаментальной теории случайных процессов с использованием математических моделей, отражающих реальные изучаемые системы и процессы. Найденные аналитические отношения и закономерности удовлетворяют принципу преемственности при выполнении соответствующих предельных переходов и подтверждаются известными данными экспериментов. 7

Практическая значимость работы

Полученные результаты

1)позволяют осуществить выбор параметров конкретных ЦСС;

2)дают рекомендации по компьютерному моделированию ЦСС;

3)расширяют представление о возможности использования систем синхронизации в широкополосных системах связи.

Реализация результатов исследования

Исследования по теме диссертационной работы выполнялись в рамках НИР "Исследование систем синхронизации при наличии помех" /1/, "Анализ систем синхронизации" /2/, "Передача информации в цифровых системах связи" /3/, проводимых в МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством д.т.н. проф. Б.И. Шахтарина.

Апробация результатов

Основные результаты работы обсуждались на LV Научной сессии РНТОРЭС им. А.С. Попова, посвященной дню радио, Москва (2000), а также на студенческих конференциях кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана Результаты исследований также нашли применение в научно-исследовательской и учебной работе кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также внедрены в НИР кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, Академии ФСБ, о чем свидетельствуют акты о внедрении.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе разностного уравнения УГ и разностного уравнения ФНЧ получена марковская модель СС с ПК.

2.Была промоделирована ПРВ фазовой ошибки СС с ПК первого и второго порядков. Полученные результаты согласуются с результатами, которые получены для дискретной и аналоговой систем синхронизации. Из представленных графиков видно, что они имеют симметричную форму. По мере увеличения ОСШ вид ПРВ фазовой ошибки изменяется от равномерной до дельтообразной. При наличии рассогласования (ДО) происходит смещение ПРВ.

3.Предложена цифровая система синхронизации, основанная на методе ВМАКО. Представлены блок-схема и марковская модель системы.

4.Проведен анализ характеристик системы и ее работоспособности при воздействии БШ. В качестве основных критериев работоспособности системы приняты среднеквадратическая ошибка дрожания фазы, среднее время входа в синхронизм и среднее время до срыва слежения. Полученные результаты показывают, что система имеет хорошую характеристику по сравнению с другими системами синхронизации /60, 61, 66, 69/. Среднеквадратическая ошибка дрожания достаточно низка.

5. Рассмотрено применение схемы ВМАКО для псевдошумовых сигналов. Применение простейшего линейного дискриминатора обусловлено упрощением выкладок. Использование дискриминатора с более сложными характеристиками может обеспечить лучшие характеристики системы.

6. Рассмотрена импульсная ФАП. Приводится сравнительный анализ методик расчета приближенной модели, предложенной Б.И. Шахтариным /48/, и уточненной модели, предложенной М.В. Башмаковым /1/.

7. Рассмотрены экспоненциально взвешенный алгоритм обработки сигнала и алгоритм обработки сигнала на основе фильтра линейного предсказания для сигналов с двухфазной ФМ и четырехфазной ФМ.

8.Исследована вероятность ошибочного приема символа в установившемся режиме в гауссовском канале. Полученные результаты согласуются с результатами, имеющимися в литературе. Также была рассмотрена вероятность ошибочного приема символов в режиме захвата фазы в гауссовском канале для экспоненциально

108 взвешенного алгоритма. В работе также представлена вероятность ошибочного приема символов в установившемся режиме и в режиме захвата для канала с релеевским замиранием.

1.Башмаков М.В. Статистические характеристики дискретных СФС в условиях комбинированных воздействий: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.

2. Борисов Ю.П. Методы математического моделирования, М.: Радио и связь, 1985 176 с.

3. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. М.: Сов. радио, 1971.

4. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, т. 1-М.: Сов. радио, 1972. 744 с.

5. Варакин J1.E. Теория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970.

6. Верлань А.Ф. Методы решения и приложение интегральных уравнений. Киев, 1985.

7. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. /Пер. англ., под ред. Левина Б.Р., М.: Советское радио, 1970. - 392 с.

8. Гинзбург В.В., Каяцкас А. А. Теория синхронизации демодуляторов. М.: Связь, 1974.

9. Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. -М. : Сов. радио, 1973.

10. Грегорян Р., Мартин К.У., Темеш К. Г. Проектирование схем на переключаемых конденсаторах. ТИИЭР, 1983, т.71, №8, с. 35-67.

11. Давенпорт В.Б., Рут В.Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. М.: ИЛ, 1960. - 462 с.

12. Дьяконов С.В. Справочник по применению системы PC MathLab. 1993.

13. Жодзишский М.И. "Цифровые радиоприемные системы: Справочник. М.: Радио и связь, 1990.

14. Жодзишский М.И. Цифровые системы фазовой синхронизации. М.: Сов. радио, 1980.

15. Зюко А. Г. "Помехоустойчивость и эффективность систем связи. М.: Связь, 1972

16. Зюко А.Г., Коробов Ю.Ф. Теория передачи сигналов. М.: Связь, 1972. - 282 с.

17. Кук Ч. Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. / Пер. с англ. под ред. B.C. Кельзона. М. : Сов. радио, 1971. - 568 с.

18. Линдсей В. Система синхронизации в связи и управлении. /Пер. англ., под ред. Ю.Н. Бакаева и М.В. Капранова, М.: Сов. радио, 1978. 600 с.

19. Марпл С.Л. "Цифровой спектральный анализ и его приложение. М.: Мир, 1990.

20. Мерсеро Д., Рассел М. Цифровая обработка многомерных сигналов. М.: Мир, 1988.

21. Михайлов Г.А., Ермаков С.М. Статистическое моделирование. М.: Наука, 1982. - 296 с.

22. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: "Раско", 1991.-27 0 с.

23. Мулявка Я. Схемы на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами. /Пер. с польск. Шарапова М.П. М.: Мир, 1992. - 416 с.

24. НИР "Исследование систем синхронизации при наличии помех" МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996 г., № ГР 01.970001718.

25. НИР "Анализ систем синхронизации" МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998 г., № ГР 01.990003036.

26. НИР "Передача информации в цифровых системах связи" МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000 г., № ГР 02.200104560.

27. Пенин П. И. Системы передач цифровой информации. Учебное пособие для вузов. М. : Сов. Радио, 1976. 368 с.

28. Первачев С. В. Радиоавтоматика. М.: Радио и связь, 1982. - 295 с.

29. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на ЭВМ. М. Сов. радио, 1971. - 400 с.

30. Потемкин В. Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997. - 350 с.

31. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. М. Радио и связь, 2000. - 800 с.

32. Пугачев B.C. Синицын И.Н. Стохастические дифференциальные системы. М.: Наука, 1985.

33. Рабинер JI., Голд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.

34. Сизиков B.C., Верлань А.Ф. Интегральные уравнения: Методы, алгоритмы, программы: Справочное пособие. Киев: Наукова думка, 198 6.-542 с.

35. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. /Пер. англ. под ред. В. В. Маркова., М.: Связь, 1979. - 592 с.

36. Стиффлер Дж. Дж. Теория синхронной связи. /Пер. англ. Б. С. Цыбакова под ред. Э. М. Габидулина., М. : Связь, 1975. - 488 с.

37. Схемы с переключаемыми конденсаторами: Малый тематический выпуск. /Пер. с англ., ТИИЭР, 1983, т. 71, №8, август, с. 3-112.

38. Тихонов В.И. Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов. радио, 1975.

39. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. М.: Сов. радио. 1977. - 488 с.

40. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. Пособие для вузов. М. : Радио и связь, 1991.-608с.

41. Фаронов Ф.Ф. Турбо Паскаль (в 3-х книгах). Книга 1. Основы Турбо Паскаля. М. : Учебно-инженерный центр «МВТУ-ФЕСТО ДИДАКТИК», 1992.-304 с.

42. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. М.: Мир, 1964. - 498с.

43. Фомин А. Ф., Хорошавин А. И., Шелухин О. И. Аналоговые и цифровые синхронно-фазовые измерители и демодуляторы /Под ред. А. Ф. Фомина., М. : Радио и связь, 1987. - 248 с.

44. Форсайт, Манхольт, Моулер. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980.

45. Хэррис Ф.Д. Использование окон при гармоническом анализе методом ДПФ. ТИИЭР, 1978, т. 66, №1, с. 60.

46. Шахтарин Б.И. Анализ систем синхронизации при наличии помех. М.: ИПРЖР, 1996. - 252 с.

47. Шахтарин Б.И. Статистическая динамика систем синхронизации. М. Радио и связь, 1998. - 488 с.

48. Щахтарин Б. И. Случайные процессы в радиотехнике: Цикл лекций. М.: Радио и связь, 2 000. -584 с.

49. Шахтарин Б.И., Артюшин С.В., Соболев Ю.В., Петрухина О. С. Статистическая динамика системы синхронизации второго порядка на переключаемых конденсаторах. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, №4, 1998 г., с. 27-35.

50. Шахтарин Б.И., Артюшин С.В., Соболев Ю.В., Петрухина О. С. Статистическая динамика системы синхронизации первого порядка на переключаемых конденсаторах. Научный вестник МГТУ ГА, №8 Серия радиофизика и радиотехника, 1998 г., с. 91-98.

51. Шахтарин Б.И., Сизых В.В., Курочка Б. Я. Статистическая динамика фазовых автоматических систем. Ч. 1. Модели системы первого порядка // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 1991, №3, с. 63-87.

52. Шахтарин Б.И., Соболев Ю.В., Артюшин С.В. Прием двухфазного фазоманипулированного сигнала разомкнутой системой синхронизации. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, №2 (39), 2000 г., с. 85-93.

53. Шахтарин Б.И., Соболев Ю.В., Артюшин С.В. Прием четырехфазного фазоманипулированного сигналаразомкнутой системой синхронизации. Научный вестник МГТУ ГА, №8 Серия радиофизика и радиотехника, .

54. Шахтарин Б.И., Соболев Ю.В. Жуков А.В. Об одном алгоритме работы цифровой системы синхронизации. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, №3.

55. Asta D. A novel hybrid analog/switched-capacitor phase-locked loop: system and design. Ph. D. Dissertation, Univ. of California, Los Angeles, 1985.

56. Asta D., Green D.N. Analysis of a hybrid analog/switched-capacitor phase-locked loop. // IEEE

57. Transactions on circuits and systems, vol. 37, pp. 183197, No. 2, February, 1990.

58. Cessna J.R. Steady state and transient analysis of a digital bit synchronization phase locked loop. // IEEE international conference on communications, Jun. 1970, pp. 34-15 to 34-19.

59. Cessna J.R., Levy D.M. Phase noise and transient times for a binary quantized digital phase locked loop in white gaussian noise. // IEEE Transactions on communications, vol. 20, pp. 94-104, April, 1972.

60. Chen K.C. Analysis of a new bit tracking loop. Ph. D. Dissertation, Univ. of Maryland, 1992.

61. Chie C.M. Mathematical analogies between first-order digital and analog phase-locked loops. / / IEEE Transactions on communications, vol. COM-26, pp. 860865, No. 6, June, 1978.

62. Fitz. Open loop techniques for carrier synchronization. Ph. D. Dissertation, Univ. of California, Los Angeles, 1990.

63. Gardner F.M. A BPSK/QPSK Timing error detector for sampled receiver. // IEEE Transactions on communications, vol. 34, pp. 423-429, May, 1986.

64. Holmes J. Performance of a first-order transition sampling digital phase-locked loop using random walk model. // IEEE Transactions on communications, vol. 20, pp. 119-131, April, 1972.

65. Martin K. A voltage-controlled switched-capacitor relaxation oscillator. // IEEE journal of136solid-state circuits, vol. SC-16, pp. 412-414, August, 1981.

66. Moghazy A.E., Maral G, Blanchard A. Digital PCM bit synchronizer and detector. // IEEE Transactions on communications, vol. 28, pp. 1107-1203, August, 1980.

67. Payzin A.E., Analysis of a digital PCM Bit Synchronizer, // IEEE Transaction on communications, vol. 31, pp. 554-560, April, 1983.

68. Stein S. Unified analysis of certain coherent and noncoherent binary communication systems. // IEEE Trans. Info. Theory, Vol. IT-10, Jan, 1964, pp. 43-51.

69. Weinberg A., Liu B. Discrete time analyses of nonuniform sampling first- and second-order digital phase lock loops // IEEE Transactions on communications. vol. COM-22, pp. 123-137, No. 2, February, 1974.