Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития общества характеризуется интенсивным внедрением средств вычислительной техники и автоматизированных систем управления, методов и средств формирования, хранения, передачи и обработки данных. Значительный рост парка персональных компьютеров и создание различных баз данных определяют лавинообразное увеличение объемов передаваемой информации. При этом непрерывно повышаются требования к оперативности обмена и достоверности принимаемой информации.
Особую актуальность в последние годы приобрели проблемы глобального расширения возможностей телефонных сетей общего пользования (ТСОП), включая вопросы персональной связи и подключения абонентов ТСОП к различным телекоммуникационным сетям, а также удовлетворение информационно-развлекательных потребностей общества. При этом основные тенденции развития техники связи характеризуются переходом к цифровым методам формирования, хранения, передачи и обработки сигналов, в том числе и в традиционно аналоговых системах. Это обусловлено, прежде всего, существенными преимуществами цифровых методов перед аналоговыми.
Наряду с интенсивным развитием систем и сетей передачи дискретных сообщений, ориентированных на массового пользователя, в последние годы резко возросла значимость специализированных систем передачи дискретных сообщений (СПДС). В частности, во всем мире наряду, с глобальными спутниковыми системами дальней радионавигации (типа ГЛОНАСС, GPS), широко используются импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРНС) в диапазоне километровых волн (КМВ) типа «Лоран», «Чайка» и др. В этих системах предусмотрена передача сообщений по радионавигационному каналу (РНК). Следует отметить, что РНК характеризуется крайне низкой энергетикой, ярко выраженной мно-голучевостью и непрерывными изменениями условий распространения, что обуславливает низкую достоверность принимаемых сообщений.
Можно констатировать, что разработка и внедрение эффективных цифровых систем радиосвязи и передачи данных (как общего пользования, так и специализированных) являются актуальными проблемами современной теории и техники связи. Решение этих проблем требует решения комплекса взаимосвязанных научно-технических задач, к которым в первую очередь следует отнести: анализ специфики радиоканала и разра-
ботка сравнительно простых и адекватных моделей канала; выбор методов модуляции и алгоритмов демодуляции; выбор методов помехоустойчивого кодирования и способов декодирования; разработку эффективных методов реализации аппаратуры радиосвязи.
Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование методов повышения эффективности СПДС в каналах с переменными параметрами (КПП), в частности, СПДС для ИФРНС. Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
анализ моделей дискретных каналов и выработка рекомендаций по их использованию;
исследование специфики РНК и выработка алгоритмов функционирования СПДС для РНК;
исследование помехоустойчивости когерентного, некогерентного и автокорреляционного методов приема сигналов с однократной ФРМ в каналах с частотно-селективными замираниями (ЧСЗ);
исследование корректирующей способности симплексных кодов, включая эффективность табличного декодирования с исправлением ошибок;
разработка аппаратно-программного комплекса, реализующего обработку дискретных сообщений по РНК;
проведение стендовых и натурных испытаний СПДС по РНК и экспериментальное исследование эффективности предложенных решений.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории вероятностей, теории случайных процессов и математической статистики, статистической теории связи и теории передачи дискретных сообщений, а также стендовые и натурные испытания аппаратуры передачи дискретных сообщений.
Научная новизна работы заключается в развитии методов цифровой передачи и приема сигналов в КПП и состоит в следующем:
систематизированы и обобщены данные о моделях дискретных каналов, определены основные параметры моделей и условия их адекватности реальным каналам;
разработана методика исследования помехоустойчивости систем передачи дискретной информации в каналах с ЧСЗ;
получены выражения для расчета вероятностей ошибок при когерентном, оптимальном некогерентном и автокорреляционном методах приема сигналов с однократной ФРМ в каналах с ЧСЗ;
показано, что реализация оптимальных процедур демодуляции ( когерентный и оптимальный некогерентный методы приема) сигналов с базой
В > 2 в каналах с ЧСЗ возможна только при наличии априорной информации о составляющих коэффициентов передачи канала на всех частотах (к = к1(к2; q = к2 - к, +1; В = 2q - база сигнала);
показано, что вероятность ошибки при приеме сигналов с однократной ФРМ в каналах с ЧСЗ зависит не только от отношения сигнал/шум (ОСШ), но и от распределения энергии передаваемого сигнала по частоте. При реализации оптимальных процедур демодуляции минимум вероятности ошибки достигается при равномерном распределении энергии передаваемого сигнала;
показано, что при отсутствии априорной информации о текущих значениях составляющих коэффициентов передачи канала с ЧСЗ известные оптимальные алгоритмы обработки, (когерентный и некогерентный) не являются таковыми. В этих условиях наибольшую помехоустойчивость обеспечивает автокорреляционный прием;
исследованы обнаруживающая и корректирующая способности симплексных кодов (СК);
введены понятия класса векторов исправляемых ошибок (КВИО) и эквивалентных КВИО. Доказано, что в таблице декодирования любого симплексного (n,k,d) кода любому КВИО набора векторов ошибок {еЛ веса
"I" соответствует только один эквивалентный КВИО {ет} веса "т" j
- предложены оценки сверху и снизу вероятности ошибочного декодиро
вания Род СК при их табличном декодировании;
Практическая ценность работы состоит в том, что
результаты систематизации и обобщения данных о моделях дискретных каналов могут быть использованы при проектировании и сравнительном анализе эффективности СПДС различного назначения;
использование разработанной методики позволяет оценить вероятности ошибок различных методов обработки сигналов с произвольной базок (В > 2) в каналах с ЧСЗ;
- разработанная процедура обработки информационных сигналов і
ИФРНС с учетом табличного декодирования СК (255,8,128) позволил*
существенно повысить помехоустойчивость СПДС по РНК и удовлетво
рить требования по достоверности принимаемых сообщений, что под
тверждено результатами стендовых и натурных испытаний;
- рассматриваемый алгоритм квазикогерентного приема реализует обра
ботку многолучевого сигнала, т.е. использует энергетику как поверхност
ного, так и отраженных лучей.
Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда НИР и ОКР, а также при разработке опытных образцов аппаратуры передачи дискретных сообщений по РНК. Разработанные образцы СПДС установлены на действующих ИФРНС.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы обсуждались и были одобрены на Международной конференции по применению спутниковой связи Russian Telecom-95 (Санкт-Петербург, 1995 г.), на 48-й, 49-й, и 51-ой Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и сотрудников СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 1995, 1996, 1998гг.) и на 50-ой Научно-технической конференции студентов и молодых специалистов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 1996 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах.
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Обсуждения постановки задачи и полученных результатов, а также экспериментальные исследования, включая натурные испытания аппаратуры на трассах Норильск - Инта и о. Панкратьев - Инта, проводились с соавторами опубликованных работ.
Положения, выносимые на защиту:
-
При разработке и моделировании СПДС по проводным и радио каналам целесообразно использовать модели составных каналов;
-
Вероятность ошибки при приеме сигналов с большой базой (В> 2) и однократной ФРМ в каналах с ЧСЗ существенно зависит от наличия (или отсутствия) априорной информации о квадратурных составляющих коэффициентов передачи канала на всех частотах (k = k1,k2; q = k2 - k1 +1; В = 2q), от ОСШ и от распределения энергии передаваемого сигнала по частоте.
-
Реализация оптимальных методов демодуляции сигналов с большой базой (В > 2) в каналах с ЧСЗ возможна только при наличии априорной информации о квадратурных составляющих коэффициентов передачи канала на всех частотах (k = к1,к2).
-
При наличии указанной информации наибольшую помехоустойчивость в каналах с ЧСЗ обеспечивает оптимальная когерентная обработка, причем минимум вероятности ошибки достигается при равномерном распределении энергии передаваемого сигнала. При прочих равных условиях, помехоустойчивость повышается с увеличением базы сигнала.
-
При отсутствии априорной информации о составляющих коэффициентов передачи канала с ЧСЗ алгоритмы когерентной и некогерентной обработки сигналов с В > 2 не являются оптимальными и проигрывают по помехоустойчивости автокорреляционному приему.
-
Использование симплексного кода (255,8,128) и табличного метода его декодирования наряду с реализацией квазиоптимального метода демодуляции сигналов с однократной ФМ позволяет обеспечить требуемые характеристики достоверности принимаемых по РНК сообщений.
-
В таблице декодирования любого СК любому КВИО {еЛ веса "I" соответствует только один эквивалентный КВИО (ет| веса "т", кото-
Ш рый определяется соотношением m = 2d -1 - S^x.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений.
Похожие диссертации на Разработка и исследование методов повышения эффективности систем передачи дискретных сообщений в каналах с переменными параметрами
