Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный этап развития теории и ехники радиовещания характеризуется широким распространением ифровых методов формирования, передачи и обработки звуковых сиг-алов (ЗС). В последние годы разработаны и весьма, пироко исполь-уются различные системы передачи вещательных программ по кабель-ым, радиорелейным и спутниковым каналаа, в которых X поступает а коммутационный пункт и после преобразования в аналоговую фор-у подается потребителю. При этом потребитель теряет основные рекмущества цифрового радиовещания (ЦРВ).
В настоящее время весьма актуальной является проблема разра-отки и внедрения ЦРВ, при котором цифровой ЗС принимается неяос-едственно бытовым радиоприемником. Работы в этом направлении роводчтся как-в СНГ, так и за рубежом, в частности в рачках про-кта Европейского Союза Радиовещания Еигеко. 147. При этом можно ыделить два основных направления исследований - наземное (в ди-паэоне метровых волн) и непосредственное спутниковое (в ди&пазо-е дециметровых волн) ЦРВ.
Разработка эффективной системы ЦРВ невозмогна без учета спе-ифики радиоканалов диапазонов метровых (MB) и дециметровых (ДМЗ) олн, а также тщательного анализа энергетики каналов ЦРВ. Особую ктуальность указанная проблема приобретает при разработке систем епосредственного спутникового вещания. Задача обеспечения требу-мого отношения сигнал/шум (ОСШ) в месте приема неразрывно связа-а с проблемой помехоустойчивого кодирования сигналов ЦРВ. Слоя-ость ее решения обусловлена необходимостью обеспечить высокий нергетический выигрыш при жестких ограничениях на вводимую из-ыточность кода и сложность реализации декодера.
Таким образом, исследования характеристик спутниковых и наемных каналов, влияния нелинейности усилителя мощности ретран-лятора и эффективности помехоустойчивого кодирования в системе РВ представляются весьма актуальными.
Цель и задачи работы. Целью работы являются разработка и ис-ледование методов обработки сигналов в спутниково-наземной сис-еме ЦРВ, позволяющих обеспечить высококачественный прием звуко-ых сигналов На стационарные, мобильные и переносные paflnonpHeMJ
никй. Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
исследование специфики распространения радиоволн в диапазонах MB и ДМВ в наземном и спутниковом каналах ЦРВ, основанное на обобщении и систематизации известных теоретических и экспериментальных данных, а также проведении натурных испытаний экспериментальной системы ЦРВ;
исследование энергетических потерь (ЭП) в спутниковой-системе ЦРВ;
разработка методики расчета энергетических потерь, обусловленных нелинейностью характеристик ретранслятора спутника;
разработка принципов построения системы помехоустойчивого кодирования звуковых сигналов с маскировкой ошибок;
исследование эффективности системы кодирования с маскировкой ошибок.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался аппарат теории вероятностей, теории суг/чайных процессов и математической статистики, статистической теории связи и теориї передачи дискретных сообщений» а также лабораторные и натурные испытания экспериментальной системы ЦРВ.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-
Систематизированы и обобщены данные о характеристиках радиоканалов диапазонов Ш и ДМВ. Предложена модель канала для наземных v. спутниковых систем ЦРВ, учитывающая специфику замираний сигнала в "больших" и "малых" зонах.
-
Разработана методика исследования ЭП, обусловленных нелинейностью усилителя мощности ретранслятора, в многочастотной спутниковой системе ЦРВ.
-
Получены выражения для оценки ЭП в спутниковой системе ЦРВ, разработаны методика и машинные алгоритмы расчета минимальнс возможных ЭП (при заданных амплитудной и фазоамплитудной характеристиках усилителя мощности), определены требования к необходимой мощности излучения ретранслятора при различных условиях приема сигналов ЦРВ.
-
Предложен метод кодирования сигналов ЦРВ с маскировкой ошибок, основанный на использовании каскадных конструкций.
-
Разработана методика анализа и исследована эффективность декодирования сигналов ЦРВ с маскировкой ошибок. Получены вираже-
ния для эквивалентной вероятности ошибок.
Практическая ценность работы состоит в TdM, что:
результаты исследований специфики радиоканалов I и ДМВ в условиях города и пригорода позволяют обоснованно подходить к выбору основных параметров систем передачи дискретной информации (ПДИ), в частности, систем наземного и спутникового ЦРВ;
использование разработанной методики исследования ЭП, обусловленных нелинейностью усилителя мощности, позволяет оценить влияние интермодуляционных помех в многочастотных системах ПДИ. Результаты исследований реальных ЭП в многочастотной спутниковой системе ЦРВ позволяют определить необходимую мощность излучения ретранслятора для обеспечения требуемых характеристик помехоустойчивости;
использование в системе ЦРВ помехоустойчивого кодирования с маскировкой ошибок позволяет обеспечить требуемое качество приема звуковых сигналов и дополнительной информации при существенном упрощении процедуры декодирования по сравнению с извєстішми методами исправления ошибок каскадными кодами (КК) и ходами с неравной защитой (НЗ) символов.
Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в КИОКР, проводимых ВНИИРПА им. Л.С. Попова, НПО "Радио", НПО им. Коминтерна, МИС, ЛЭКС в рамках "Комплексной программы разработки и испытаний системы цифрового радиовещания". В настоящее время ведутся работы по созданию опытной зоны ЦРВ.
Апробация работы. Основные результаты и положения раооты обсуждались и были одобрены на Международном симпозиуме "Спутниковая связь! реальность и перспективы" (Одесса, 1990), Всесоюзных научно-технических конференциях: "Перспективы развития техники радиовещательного приема, радиовещания, звукоусиления л акустики" (Ленинград, 1988), "Развитие и внедрение новой техники радиспри-эмых устройств и обработки сигналов" (Горький, 1989), "Проблемы и перспективы развития цифровой звуковой техники" (Ленинград, 1990), производственно-техническом семинаре "Цифровая обработка звуковых сигналов" (Челябинск, 1989), региональной 47-й НТК, посвященной Дню радио "Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники и связи" (Санкт-Петербург, 1992), 41-45 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и со-
трудников ЛЭИС им. проф. Ы.А. Бонч-Бруевича (Ленинград, 1988-92 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в II печатных работах.и защищены 5-ю авторскими свидетельствами.
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Обсуждение постановки задачи и полученных результатов, а также экспериментальные исследования проводились совместно с соавторами опубликованных работ.
Положения, выносимые на защиту;
-
При выборе методов формирования, передачи и обработки сигналов ЦРВ целесообразно использовать модель радиоканала, учитывающую специфику пространственных флуктуации сигнала в "больших" и "малых" зонах. Распределение огибающей сигнала в "малой" зоне достаточно хорошо описывается обобщенным законом Рэлея, а в "большой" - логарифмически-нормальным законом. В диссертации приводятся наиболее вероятные значения параметров указанных распределений.
-
При расчете энергетики спутниковых многоканальных систем ЦРВ необходимо учитывать интермодуляционные помехи, обусловленные нелинейностью усилителя мощности ретранслятора. Предложенная методика анализа ЭП при своей относительной простоте позволяет выбрать оптимальный режим работы ретранслятора и определить минимально возможные потери в зависимости от характеристик усилителя мощности, отношения сигнал/шум (ОСІ) в линии вверх и требуемого ОСИ в месте приема.
-
Высококачественный прием сигналов в спутниковой системе многопрограммного ЦРВ в условиях города возможен только при использовании направленных приемных антенн. Для уверенного приема таких сигналов мобильными и переносными приемниками требуются либо крайне мощные спутниковые ретрансляторы, либо дополнительные наземные ретрансляторы.
-
В системе ЦРВ целесообразно использовать глубокое частотно-временное перемещение символов и каскадное кодирование, причем внутренний код (сверточный) следует декодировать с исправлением освбсЕ, а внешний (блочный) - с частичным исправлением и маскировкой ошибок.
-
При заданных значениях вероятности ошибки в канале р и глубины маскировки L существует оптимальный режим Декодирования с маскировкой ошибок, при котором обеспечивается минимальное значение остаточной вероятности ошибок при допустимой вероятности маскировки.
-
Эффективность декодирования сигналов ЦРВ с маскировкой ошибок практически не отличается от потенциальной при глубине йаскировки Ц= 10т12.
Об-ьем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заклвчення, списка литературы н двух прилоаеннй.
