Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
В спутниковых системах передачи цифровой информации (ССПИ) (таких, например, как INTELSAT, EUTELSAT, DOMSAT, IRIDIUM и др.) используются фазоманипулированные (ФМ) сигналы, причём для достижения компромисса между помехоустойчивостью и шириной полосы системы используют сигналы 4-ФМ и 8-ФМ. Кроме того, для повышения помехоустойчивости приема и выделения цифровой информации (ЦИ) используется помехоустойчивое кодирование. Таким образом, помехоустойчивость приема ЦИ повышается как за счет использования метода модуляции сигнала, так и за счет использования помехоустойчивого кодирования.
Однако эти два направления обеспечения повышения помехоустойчивости в большинстве случаев рассматривались раздельно, что с точки зрения общей теории оптимального приема сигналов не является лучшим вариантом. Впервые на это обратил внимание G. Ungerboeck, и он предложил взаимоувязывать функции кодирования и модуляции при разработке более эффективных видов ФМ сигналов. Метод G. Ungerboeck получил название модуляции решетчатым кодированием.
С точки зрения практической реализации метод модуляции по Ungerboeck обладает тем недостатком, что для разных типов ФМ сигналов необходимо использовать сверточные кодеры с различной скоростью К/К+1. В большинстве стандартов ССПИ используется сверточный кодер со скоростью . С целью устранения этого недостатка A.Viterbi предложил модифицированный метод модуляции решетчатым кодированием, получивший название прагматический подход к модуляции решетчатым кодированием. Если К=2, схема Viterbi принимает вид, приведенный на рис. 1.
Рис. 1. Схема модуляции сигнала 8-ФМ и отображения бит в фазовые состояния сигнала
по A.Viterbi
Viterbi предложил также иную схему отображения кодов в фазовые состояния, которую называют секторным отображением с кодом Грея.
Описанный метод модуляции по Viterbi с свёрточным кодером (171,133) используется в стандарте INTELSAT IESS-310 и использован в диссертации в качестве базового варианта ФМ сигнала.
Несмотря на то, что описанный выше метод модуляции с прагматическим решетчатым кодированием используется в стандарте ССПИ INTELSAT, существует ряд
нерешенных научных проблем, связанных с приемом такого сигнала, среди которых отметим следующие:
1) до настоящего времени отсутствуют оптимальные алгоритмы оценки каждого бита информации в отдельности, хотя и G. Ungerboeck и A.Viterbi в своих работах отмечают важность качества выделения каждого бита передаваемой информации;
2) в литературе отсутствуют строгие аналитические выражения для вероятностей ошибок оценивания каждого (из передаваемых в ФМ сигнале) бита данных;
3) не исследованы детально вопросы влияния типа отображения передаваемых бит в те или иные фазовые состояния сигнала на вероятность ошибки оценки каждого бита в отдельности;
4) в российской литературе отсутствуют публикации по методам и аппаратуре приема сигнала 8-ФМ с модуляцией прагматическим решетчатым кодированием, секторным отображением с кодом Грея и свёрточным кодером; в известной зарубежной литературе приводятся обобщенные функциональные схемы приема и обработки таких сигналов, однако в них отсутствуют конкретные алгоритмы, реализующие функциональное назначение блоков, что не позволяет достоверно оценить реальные характеристики предложенной аппаратуры приема.
Данные научные проблемы являются предметом исследования в настоящей диссертации.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является улучшение потребительских характеристик (вероятности ошибочных решений и помехоустойчивости приема) аппаратуры приема сигналов 4-ФМ и сигналов 8-ФМ с модуляцией прагматическим решетчатым кодированием, секторным отображением с кодом Грея (ССПИ INTELSAT).
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
-
Синтез оптимальных алгоритмов раздельного оценивания бит данных, передаваемых в сигналах 4-ФМ и 8-ФМ при различных отображениях передаваемых бит в фазовые состояния сигнала, при их приеме на длительности одной посылки.
-
Вывод формул и расчет вероятностей ошибок раздельного оценивания бит данных при использовании оптимальных алгоритмов оценивания, полученных в п.1.
-
Анализ влияния типа отображения передаваемых бит данных в те или иные фазовые состояния сигнала для сигналов 4-ФМ и 8-ФМ на вероятность ошибки оценки каждого бита в отдельности в оптимальных алгоритмах оценивания.
-
Синтез оптимальных алгоритмов оценивания бит данных, передаваемых в сигнале 8-ФМ с модуляцией прагматическим решетчатым кодированием с различными типами отображений передаваемых бит в фазовые состояния сигнала при его приеме на длительности одной посылки.
-
Вывод формул и расчет вероятностей ошибок оценивания бит данных при использовании оптимальных алгоритмов оценивания по п. 4.
-
Оптимизация пары «тип отображения алгоритм оценивания последовательности бит данных» для ССПИ, использующих сигнал 8-ФМ с модуляцией
прагматическим решетчатым кодированием.
-
Вывод формул и расчет вероятностей ошибок оценивания бит данных при использовании оптимального алгоритма оценивания по п. 6.
-
Проведение имитационного моделирования разработанных оптимальных алгоритмов оценивания.
Методы исследования. Перечисленные задачи решались методами теории оптимального оценивания, теории статистического анализа радиотехнических систем, а также методами имитационного моделирования.
Новые научные результаты, полученные в диссертации:
-
Оптимальные алгоритмы раздельного оценивания бит данных, передаваемых в сигнале 4-ФМ, с различными вариантами отображения передаваемых бит в фазовые состояния сигнала при его приеме на длительности одной посылки.
-
Оптимальные алгоритмы раздельного оценивания бит данных, передаваемых в сигнале 8-ФМ, с различными вариантами отображения тройки бит в фазовые состояния сигнала при его приеме на длительности одной посылки.
-
Оптимальные алгоритмы оценивания бит данных, передаваемых в сигнале 8-ФМ, с модуляцией решетчатым кодированием с двумя типами отображения тройки бит в фазовые состояния сигнала (по Витерби и с кодом Грея).
-
Формулы для вероятностей ошибок раздельного оценивания бит данных при использовании оптимальных алгоритмов оценивания по пп. 1–3.
-
Результаты исследований вероятностей ошибок оценивания бит данных и помехоустойчивости приемника, реализующего синтезированные оптимальные алгоритмы обработки.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
-
Разработанные алгоритмы приема и обработки сигналов 8-ФМ обеспечивают улучшение потребительских свойств (вероятности правильного декодирования, помехоустойчивости) приемников сигналов ССПИ.
-
Разработаны программные средства, позволяющие оценивать характеристики ССПИ на этапах разработки и проектирования.
-
Сформулированы рекомендации по взаимоувязанному использованию типа отображения бит данных в фазовое состояние сигнала и алгоритмов оптимального оценивания переданных бит при посимвольном приеме сигнала 8-ФМ с прагматическим решетчатым кодированием.
Основные результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе МЭИ(ТУ): в курсах «Основы построения спутниковых систем связи», «Радиотехнические системы передачи информации» и в лабораторном практикуме по этим курсам.
Апробация результатов работы
-
Международная научная конференция молодых ученых «Актуальные задачи современной науки», Красноярск, 2009 г.
-
Шестнадцатая международная НТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, март 2010 г.
-
Конференция «Радионавигационные технологии в приборостроении»,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Туапсе, 2010 г.
-
Международная научно-практическая конференция «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте», Одесса, 2010 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 3 статьи в журнале «Радиотехника», 1 статья в журнале «Радиотехнические тетради», 4 доклада в трудах конференций, получен 1 патент на полезную модель и положительное решение по заявке на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 53 наименований и 13 приложений. Основная часть работы изложена на 222 страницах и содержит 2 таблицы и 51 рисунок.
