Повышение помехозащищенности дуплексных систем на основе инвариантной адаптивной эхокомпенсации Абрамов Сергей Степанович

Введение к работе

Актуальность исследования

В настоящее время с каждым годом существенно возрастают информационные потоки, передаваемые по каналам связи. Данное обстоятельство требует постоянного увеличения скорости и верности передачи информации.

Эта сложная задача решается комплексом мер, таких как устранение избыточности в передаваемых сообщениях, помехоустойчивое кодирование, эффективные методы модуляции и так далее. С учетом того, что реальные каналы являются каналами с переменными параметрами, в современных системах связи, как правило, применяются адаптивные методы передачи и приема.

Теория адаптации применительно к задачам связи разрабатывалась отечественными учеными ЯЗ. Цыпкиным, Р.Л. Стратановичем, В.В. Шахгильдяном, В.В. Лохвицким, А.И. Фалько, С.А. Курицыным и другими. Существенный вклад в развитие этой теории внесли зарубежные ученые М. Лохи, М.И. Сондхи, Б. Уидроу, С. Стирнз и др.

Однако, в современных системах связи чаще всего применяется дуплексная передача, и поскольку реальные каналы связи, строго говоря, следует считать каналами с переменными параметрами, то необходимость использования процедур адаптации очевидна и для дуплексных систем передачи, при этом в дуплексных системах передачи существует специфическая проблема, обусловленная взаимным влиянием встречных направлений передачи. Эта «классическая» проблема, которая издавна решалась различными методами.

Большой вклад в развитие теории и практики устранения влияния встречных направлений передачи внесли М.К. Цибулин, А.Д. Снегов, С.С. Шаврин и др.

Среди известных схем адаптивных эхокомпенсаторов наиболее широкое распространение нашли табличные и эхокомпенсаторы на основе трансверсальных фильтров. Однако при эксплуатации такого рода эхокомпенсаторов выявились следующие недостатки:

для реализации табличных эхокомпенсаторов необходим большой объем памяти, в которой хранятся все возможные заранее вычисленные образцы эхосигналов;

в случае использования эхокомпенсаторов на базе трансверсальных фильтров требуется выполнение операций типа свертки передаваемых сигналов и копии импульсной реакции эхотракта, что требует большого количества операций умножения и сложения за интервал дискретизации сигналов.

Указанные недостатки стимулируют поиск новых методов эхокомпенсации. Один из таких методов использует новый математический аппарат преобразования сигналов каналом связи - теорию групп преобразований. Согласно этой теории, преобразование входных сигналов в выходные можно рассматривать как преобразование системы координат пространства представления сигналов, когда входные сигналы отображаются точками в одной системе координат, а выходные сигналы - теми же точками в другой,

преобразованной системе координат. Операция преобразования систем координат обладает свойствами групп. В частности, для линейных систем, к которым относятся линейные каналы связи, преобразования систем координат сигнального пространства являются аффинной группой преобразований. При этом важнейшим моментом для передачи сообщений является то, что группы преобразований обладают инвариантами – особыми соотношениями между параметрами сигналов, которые остаются неизменными, несмотря на искажения самих сигналов каналом связи. На базе этих инвариантов синтезированы инвариантные методы передачи, обеспечивающие нечувствительность передаваемых сообщений к искажениям сигналов каналом связи. Обоснованию и реализации инвариантных методов передачи на базе теории групп преобразований посвящены работы В.В. Лебедянцева.

Преобразование передаваемых сигналов линейным эхотрактом дуплексной системы связи также можно рассматривать как преобразование аффинной группы с основным инвариантом в виде сохраняющегося отношения длин векторов сигналов одинакового направления. На базе этого инварианта синтезирован инвариантный эхокомпенсатор, рассчитывающий оценки длин векторов эхосигналов по их предыдущим реализациям, который по количеству операций более экономичен чем компенсатор на базе трансверсального фильтра и требует для своей реализации меньшего объема памяти по сравнению с табличным эхокомпенсатором. Варианты реализации инвариантных эхокомпенсаторов с аттенюатором при обработке сигналов в частотной области исследованы в работах В.Б. Малинкина и других российских ученых.

Однако инвариантный эхокомпенсатор не является адаптивным, поскольку
после изменения параметров эхотракта на его выходе возникают эхосигналы, что
не позволяет пока использовать такие компенсаторы в реальных дуплексных
системах связи. Кроме того, в настоящее время отсутствует общая теория
дуплексных систем связи, что затрудняет разработку новых методов передачи
сообщений в условиях взаимного влияния встречных направлений

распространения сигналов.

Объектом исследования является дуплексная система передачи

сообщений.

Предметом исследования является совокупность методов и средств снижения влияния эхосигналов на качество работы дуплексной системы передачи сообщений.

Цель диссертационной работы в создании основ теории дуплексных систем передачи сообщений и разработка на их базе метода и устройств инвариантной адаптивной эхокомпенсации.

Задачи исследования

1. Анализ и классификация существующих методов подавления электрического эха в дуплексных системах передачи сообщений.

2. Разработка тензорной модели дуплексного канала связи и синтез инвариантного компенсатора на ее основе.

3. Разработка и исследование инвариантного эхокомпенсатора, функционирующего в условиях межсимвольной интерференции эхосигналов.

4. Синтез эхокомпенсатора для дуплексной системы с обобщенным инвариантным методом передачи сообщений.

5. Разработка и исследование методов адаптивной инвариантной эхокомпенсации.

6. Исследование вариантов реализации адаптивного инвариантного эхокомпенсатора для системы передачи с противоположными сигналами.

7. Анализ результатов экспериментального исследования разработанных инвариантных адаптивных эхокомпенсаторов.

Научная новизна результатов работы

1. Разработана новая классификация существующих методов устранения электрического эха в дуплексных системах передачи сообщений, которая позволяет выявить множество вариантов реализации компенсационных устройств, проводить анализ, строить и исследовать различные структуры компенсаторов ближнего и дальнего эха в системах дуплексной передачи информации (пункты 2,3,8,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

2. На основе тензорно-инвариантной теории впервые предложен инвариантный метод компенсации эхосигналов в дуплексных системах, использующих обобщенный инвариантный метод передачи сообщений (пункты 2,8,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

3. Разработана методика синтеза инвариантного эхокомпенсатора,
позволяющая формировать новые алгоритмы адаптации, адекватные при
разбалансировке дифференциальных систем на ближнем и дальнем конце
дуплексного канала связи (пункты 2,3,8,14 области исследований паспорта
специальности 05.12.13).

4. Разработан новый инвариантный метод эхокомпенсации в условиях межсимвольной интенфиренции сигналов эха, который позволяет уменьшить погрешность эхокомпенсации приблизительно в два раза по сравнению с существующими (пункты 8, 14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

5. Разработаны структурные схемы новых адаптивных эхокомпенсаторов (пункты 3, 8, 14 области исследований паспорта специальности 05.12.13), а на их основе – цифровые модели таких эхокомпенсаторов.

6. Разработаны и исследованы варианты реализации адаптивных инвариантных эхокомпенсаторов для систем передачи сообщений с противоположными сигналами, обеспечивающие уменьшение шумов недокомпенсации эха на 5,3 дБ и собственных шумов на 22 дБ по сравнению с уже существующими (пункты 3, 8, 14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

Теоретическая значимость работы заключается в развитии теории дуплексных систем передачи сообщений и создании аналитических методов

синтеза адаптивных инвариантных эхокомпенсаторов для телекоммуникационных систем.

Практическая ценность работы заключается в создании теоретико-прикладных основ синтеза, анализа и проектирования эхокомпенсаторов для дуплексных систем передачи сообщений и включает следующее:

разработан новый класс адаптивных инвариантных эхокомпенсаторов, обеспечивающих по сравнению с известными эхокомпенсаторами снижение сложности реализации дуплексной системы передачи сообщений с изменяющимися параметрами эхотракта;

разработана методика проектирования адаптивных инварианиных эхокомпенсаторов с требуемым качеством эхокомпенсации;

разработаны два варианта адаптивных инвариантных эхокомпенсаторов, новизна и практическая ценность которых подтверждена патентами на полезную модель;

разработаны схемы адаптивных эхокомпенсаторов с аттенюаторами во втором компенсирующем контуре для дуплексной системы связи с противоположными сигналами, не содержащими постоянную составляющую.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовался математический аппарат линейной алгебры, матричного анализа, теории групп преобразований и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проводились на физических и математических моделях с помощью натурных испытаний и метода имитационного статистического моделирования.

Реализация и внедрение результатов исследований

Полученные результаты использованы при выполнении НИР «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий», внедрены с целью повышения надежности и качества передачи сообщений в сетях ОАО «Ростелеком», ПАО «МегаФон», использованы ОКБ Новосибирского завода полупроводниковых приборов, что подтверждается актами внедрения.

Результаты диссертационной работы также применяются в учебном процессе на кафедре радиотехнических устройств СибГУТИ, а именно:

алгоритм работы инвариантного эхокомпенсатора без защитного интервала;

алгоритм работы инвариантного эхокомпенсатора с квадратурными подканалами.

Использование результатов диссертационного исследования подтверждено соответствующими актами внедрения.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что они получены на сертифицированном оборудовании и с применением адекватного программного обеспечения. Имеет место воспроизводимость результатов исследований в различных условиях. Теория построена на известных, проверяемых данных и фактах, в том числе для предельных случаев, согласуется с

опубликованными экспериментальными данными других исследователей по данной тематике.

Апробация работы

Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016 гг;

Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП», Новосибирск, 2006, 2008, 2010, 2012 гг;

Научно-технической конференции «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Иркутск, 2006 г;

Всероссийской научно-технической конференции «Научные и технические обеспечения исследований и освоение шельфа Северного Ледовитого океана», Новосибирск, 2010, 2012 гг;

Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные проблемы науки и образования», Тамбов, 2012г, 2013г, 2015г;

Международной научно-практической конференции «Наука, технологии и инновации в современном мире», Уфа - 2015г.

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 66 работ, в том числе 3 монографии, 26 статей, входящие в перечень журналов и изданий, рекомендованных ВАК, 3 патента на полезную модель, 34 материала докладов международных и всероссийских научных конференций.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, вклад автора состоит в проведении необходимых экспериментальных исследований и анализе полученных результатов.

Основные положения работы, выносимые на защиту

1. Анализ и новая классификация существующих методов подавления электрического эха в дуплексных системах передачи сообщений, которая позволяет выявить множество вариантов реализации компенсационных устройств, проводить анализ, строить и исследовать различные структуры компенсаторов ближнего и дальнего эха в системах дуплексной передачи информации (пункты 2,3,8,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

2. Тензорная модель дуплексного канала связи, позволяющая синтезировать инвариантные эхокомпенсаторы.

3. Инвариантный метод компенсации эхосигналов в дуплексных системах с обобщенным инвариантным методом передачи сообщений (пункты 2,8,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

4. Методика синтеза инвариантного эхокомпенсатора, позволяющая создавать новые методы адаптации эхокомпенсаторов при разбалансировке дифференциальной системы (пункты 2,3,8,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

5. Новый адаптивный инвариантный эхокомпенсатор и результаты его исследования, который позволяет уменьшить погрешность эхокомпенсации в два раза по сравнению с существующими (пункты 8,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

6. Структурные схемы и компьютерные модели нового адаптивного инвариантного эхокомпенсатора (пункты 3,8,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

7. Результаты исследования вариантов реализации адаптивных инвариантных эхокомпенсаторов различных порядков для противоположных сигналов, которые позволяют уменьшить шумы недокомпенсации на 5,3 дБ и собственных шумов на 22 дБ (пункты 3,8,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Диссертация содержит 263 страницы машинописного текста, 101 рисунок, 19 таблиц. В библиографию включено 190 наименований источников.