Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Актуальной задачей теории и техники связи остается повышение помехоустойчивости и эффективности систем передачи дискретных сообщений по каналам с межсимвольной интерференцией (МСИ), вызванной временным рассеянием единичных элементов принимаемого сигнала и обусловленной как многолучевым распространением сигнала, так и ограничением полосы занимаемых сигналом частот при передаче со скоростью, превышающей т.н. скорость Найквиста.
Типичным примером канала с многолучевым распространением может служить декаметровый (ДКМВ) канал связи. Данный канал характеризуется как диффузной, так и дискретной многолучёвостью, вызванной отражением от различных слоев ионосферы, а также быстрым изменением параметров канала связи, вызванным интерференционными замираниями. Несмотря на бурное развитие альтернативных видов связи (в том числе радиорелейной, кабельной, спутниковой, оптической и т.д.), коротковолновая связь сохраняет важное практическое значение. К её достоинствам следует отнести возможность установления связи на большие расстояния без применения ретрансляции при ограниченной мощности передатчика, а также возможность поддержания связи с движущимися объектами. В настоящее время декаметровьш диапазон интенсивно используется для низко- и среднескоростной передачи дискретных сообщений в большинстве морских коммуникационных систем, систем дипломатической, военной связи, для связи в чрезвычайных ситуациях, а также для передачи метеорологических прогнозов. Вместе с тем зарубежные экономические исследования показывают, что в тех случаях, когда необходимо поддерживать значительный поток сообщений в течение суток, затраты при использовании ДКМВ связи оказываются существенно меньшими, чем при использовании спутниковой связи. Последние годы характеризуются достаточно бурным развитием за рубежом нового поколения модемов, предназначенных для передачи данных по декаметровьш каналам связи последовательными методами. В настоящее время признанным мировым лидером по производству оборудования для ДКМВ связи является американская корпорация HARRIS, которая является поставщиком министерства обороны США, а также более чем 100 крупных корпоративных клиентов по всему миру. Несмотря на достижения последних лет, качество связи по декаметровьш каналам является не всегда достаточным для передачи некоторых видов дискретных сообщений (например, при факсимильной связи). Таким образом, анализ характеристик качества и синтез алгоритмов демодуляции и декодирования применительно к ДКМВ -каналам представляет собой достаточно актуальную задачу, имеющую как теоретическое, так и практическое значение.
Другим исключительно важным примером канала связи с многолучевым распространением являются каналы сотовой системы подвижной связи. Причиной многолучевого распространения сигналов в этой системе является отражение сигналов от различных объектов на местности (холмов, зданий, металлоконструкций, и т.д.), а причиной изменения параметров канала связи во времени - проявление эффекта Доплера при связи между движущимися объектами.
Ещё одним важным примером системы с многолучевым распространением являются системы тропосферной связи. В силу высоких скоростей передачи (до десятков мегабит/с) и существенных интервалов рассеяния разработка алгоритмов демодуляции для таких систем представляет собой исключительно сложную теоретическую и инженерную задачу. В основе существующих в настоящее время таких демодуляторов лежит волноводная техника и методы адаптивной линейной коррекции. Альтернативным путём решения указанной задачи может быть разработка «экономных» субоптимальных алгоритмов демодуляции совместно со специализированными процессорами повышенного быстродействия.
В процесс становления и развития теории и техники передачи дискретных сообщений по каналам с многолучевым распространением внесли свой вклад такие учёные, как К.Хелстром, Р.Кеннеди, Л.М.Финк, В.СМельников, В.И.Тихонов, Т.Кайлат, Д.Д.Кловский, МСЯрлыков, КАбенд и Б.Фритчман, МДиторо, И.А.Цикин, Н.П.Хворостенко, Г.Унгербоек, А.И.Фалько, Н.Е.Кириллов, Ю.Б.Окунев, Б.И.Николаев, В.В.Гинзбург, В.Г.Карташевский, Ю.В.Алышев.
Следует отметить, что широкие возможности для разработки современных высокоэффективных систем передачи дискретных сообщений по каналам с МСИ открыли методы последовательной (одноканальной) передачи. В некоторых случаях канальный сигнал в таких системах (например, в системе цифровой сотовой мобильной радиосвязи по общеевропейскому стандарту GSM) создаётся за счёт временного уплотнения сигналов многих пользователей.
Данная диссертационная работа находится в русле исследований, проводимых в течение многих лет на кафедре ТОРС ПГАТИ под руководством Д.Д.Кловского. В основе этих работ лежат идеи, выдвинутые ДДКловским в конце 50-х и начале 60-х годов по периодическому зондированию и оптимальной обработке принимаемого сигнала с нулевой задержкой в принятии решения и при использовании обратной связи по решению (ССР). Логическим развитием этих идей был синтез в конце 60-х годов субоптимального алгоритма приёма в целом с поэлементным принятием решения (алгоритма Кловского-Николаева (АКН)) с произвольной задержкой в принятии решения.
В существующих системах связи повышение удельной скорости передачи информации осуществляется, как правило, за счёт повьппения позиционности используемого кода. При этом удельная канальная скорость
5 передачи (скорость модуляции) ограничивается скоростью Найквиста. В этом плане принципиальный интерес представляет исследование возможности повышения удельной скорости передачи информации не только за счёт увеличения позиционности используемого кода, но и за счёт повышения удельной скорости модуляции. Следует отметить, что в литературе неоднократно рассматривался вопрос о передаче дискретных сообщений со сверхнайквистовской скоростью модуляции. В работах В.Таллера, ДТафтса, Д.Д.Кловского, Л.М.Финка, А.В.Михайлова, Г.Мазо и Х.Марко указывалось на принципиальную возможность передачи дискретных сообщений со скоростью «быстрее Найквиста».
Цель диссертационной работы.
Оценка потенциальной помехоустойчивости при отсутствии информационной избыточности некоторых видов модуляции (система ФМ-2 при различных формах огибающей единичного элемента принимаемого сигнала, ММС, ФМ-4 и ОБП) при последовательной передаче дискретных сообщений по каналам с многолучевым распространением, а также по каналам с ограниченной полосой пропускания.
Оценка потенциальной помехоустойчивости системы ФМ-4 со свёрточным кодированием при наличии и отсутствии перемежения символов в стохастических каналах с многолучевым распространением.
Синтез субоптимальных алгоритмов демодуляции для последовательных систем связи в каналах с МСИ, обусловленной как многолучевым распространением, так и ограничением полосы пропускания.
Синтез алгоритма совместной демодуляции-декодирования (СДД) для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов применительно к декаметровым каналам связи.
Инженерная реализация некоторых узлов последовательного модема, предназначенного для передачи дискретных сообщений по ДКМВ каналам связи с информационной скоростью 1,2 кбит/с.
Основные задачи исследования.
Расчёт дистанционных и вероятностных характеристик качества сигнальных систем ФМ-2 при различных формах огибающей единичного элемента принимаемого сигнала, ММС, ФМ-4 и ОБП для многолучевого канала связи с фиксированными и случайно изменяющимися параметрами.
Расчёт вероятностных характеристик сигнально-кодовой
конструкции (СКК) на основе ФМ-4 и свёрточного кода со скоростью R = —
для многолучевого канала связи со случайно меняющимися параметрами.
Расчёт дистанционных характеристик двоичной системы противоположных сигналов при отсутствии информационной избыточности
применительно к одно- и многолучевым каналам связи при повышенной
удельной скорости модуляции.
Совместная оптимизации удельной скорости модуляции и
. бит * позиционности кода при удельной скорости передачи информации 4 -
С'Гц бит
с-Гц
Инженерная реализация АКН с учётом особенностей современной элементной базы.
Синтез субоптимального алгоритма демодуляции на основе метода последовательного поиска с пониженным числом перебираемых альтернатив.
Синтез субоптимальных алгоритмов демодуляции для канала связи с ограниченной полосой пропускания с уменьшенным числом перебираемых альтернатив за счёт предварительного линейного преобразования сигнала.
Синтез двухэтапного алгоритма СДД для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов для декаметрового канала связи.
Методы исследования.
В работе используются методы теории вероятностей и теории случайных процессов, теории конечномерных линейных пространств, а также методы теории оптимального приёма.
Проверка результатов исследования осуществлялась путём имитационного моделирования на компьютере и натурного эксперимента (лабораторных и трассовых испытаний).
Научная новизна.
Результаты сравнительного анализа дистанционных и вероятностных характеристик некоторых систем модуляции (ФМ-2, ММС, ФМ-4 и ОБП) при отсутствии информационной избыточности для многолучевого канала связи с фиксированными и случайно меняющимися параметрами.
Расчёт вероятностных характеристик для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов в каналах с МСИ.
Анализ дистанционных характеристик для двоичной системы противоположных сигналов при отсутствии информационной избыточности и повышенной удельной скорости модуляции для каналов с многолучевым распространением.
Результаты совместной оптимизации удельной скорости модуляции и
позиционности используемого кода при удельной скорости передачи
. бит „ бит
информации 4 и 6 .
с-Гц с-Гц
Корреляционный вариант реализации АКН с рекуррентным вычислением достаточных статистик, позволивший свести к минимуму необходимый объём вычислительных операций при полном переборе всех возможных альтернатив.
Алгоритм демодуляции для каналов с многолучевым распространением, в основе которого лежит метод последовательного поиска, требующий уменьшенного количества перебираемых альтернатив.
Двухэтапный алгоритм совместной демодуляции-декодирования (СДД) для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов в декаметровом канале связи, предполагающий на первом этапе вычисление первичных метрик согласно АКН, и осуществляющий на втором этапе поиск наиболее вероятного пути по кодовой решётке (на основе алгоритма Витерби).
Практическая ценность работы.
Полученные дистанционные и вероятностные характеристики различных сигнальных конструкций могут быть использованы при разработке высокоэффективных модемов, предназначенных для работы в каналах связи с многолучёвостью и ограничением полосы пропускания.
Предложенные алгоритмы демодуляции позволяют реализовать субоптимальные решающие правила для широкого класса последовательных систем связи на основе современной элементной базы.
На основе полученных результатов разработан ряд узлов цифрового модема СИИП-1200, успешно прошедшего лабораторные и трассовые испытания.
Реализация результатов работы.
Научные результаты, представленные в диссертации, использовались в следующих хоздоговорных НИОКР, проводимых ПГАТИ (ПИИРС), а также МП «МОДЕМ»:
- в НИР «Исследование принципов построения высокоскоростной
тропосферной станции», проведенной ПИИРС по заказу МНИРТИ (г.
Москва);
- в ОКР «Исследование и разработка алгоритмического и
программного обеспечения применительно к системам подвижной связи,
соответствующих стандарту GSM, проведённой МП «МОДЕМ» по заказу
Ассоциации «СМАРТС» и ОКБ «ЯНТАРЬ» (г. Самара);
- в работах, проведённых МП «МОДЕМ» совместно с АООТ НИИ
"Автоматика" по договору «На разработку методов повышения
помехоустойчивости цифрового модема СИИП-1200 для передачи
дискретных сообщений по коротковолновым ближним горным трассам»;
8 Использование результатов работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной НТК «Проблемы космической радиосвязи» в г. Москве в 1979 г., на Всесоюзной научной сессии НТО РЭС им А.С. Попова в 1981г. (г. Москва), на VIII Всесоюзной конференции по кодированию и передаче информации АН СССР в г. Куйбышеве в 1981г., на VIII симпозиуме по проблеме избыточности в информационных системах АН СССР в г. Ленинграде в 1983г., на Всесоюзной НТК «Проблемы космической радиосвязи» в г. Калуге в 1983г., на II Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» в г. Зеленограде в 1995 г., на LI научной сессии, посвященной дню радио, НТО РЭС им А.С. Попова в 1996г (г. Москва), на Всероссийской НТК «Автоматизированные системы при строительстве и эксплуатации зданий, сооружений и проектов жизнеобеспечения» в г. Самаре в 1996г., на Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава в г. Самаре в 1997г, на Ш научной сессии, посвященной дню радио, НТО РЭС им А.С. Попова в 1997г (г. Москва).
Публикации.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 17 печатных трудах, из которых 3 - авторские свидетельства СССР.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы.
Основная часть работы содержит 197 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 9 таблиц. В библиографию внесены 117 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту.
Дистанционные и вероятностные характеристики ряда систем модуляции (ФМ-2, ММС, ФМ-4 и ОБП) при отсутствии информационной избыточности для каналов с многолучевым распространением.
Вероятностные характеристики сигнально-кодовой конструкции
(СКК) на основе ФМ-4 и свёрточного кода со скоростью R - — для многолучевого канала связи со случайно меняющимися параметрами.
Дистанционные характеристики двоичной системы противоположных сигналов при отсутствии информационной избыточности и повышенной удельной скорости модуляции для каналов с многолучевым распространением.
Результаты совместной оптимизации удельной скорости модуляции и
позиционности используемого кода при удельной скорости передачи
. бит , бит
информации 4 и 6 .
с-Гц с-Гц
Результаты экспериментального исследования передачи дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции.
Инженерная реализация АКН для канала связи с многолучевым распространением при полном переборе всех возможных альтернатив.
Субоптимальньш алгоритм демодуляции для канала связи с многолучевым распространением при пониженном количестве перебираемых альтернатив на основе метода последовательного поиска.
Субоптимальные алгоритмы демодуляции для канала связи с ограниченной полосой пропускания при пониженном количестве перебираемых альтернатив за счёт применения предварительного линейного преобразования сигналов.
Двухэтапный алгоритм совместной демодуляции-декодирования (СДД) для системы со свёрточным кодированием и перемежением символов применительно к декаметровому каналу связи.
Результаты лабораторных и трассовых испытаний последовательного модема СИИП-1200 для декаметровых каналов связи.
