Введение к работе
Актуальность проблемы
Одним из важнейших элементов аппаратуры систем передачи данных являются канальные модемы, которые, как правило, реализуются на цифровой элементной базе с цифровой обработкой сигнала (ЦОС) на промежуточной частоте (ПЧ). При этом их реализация возможна на различных видах элементной базы, которые имеют- свои достоинства и недостатки, поэтому часто оказывается целесообразным использовать их комбинацию. В общем случае выбор элементной базы сигнала является достаточно сложной задачей, существенно влияющей на такие важные параметры канального модема, как скорость передачи информации, габариты, стоимость и возможность реконфигурации.
С учетом конкретной элементной базы, а также скорости передачи информации, аппаратных возможностей и стоимости аппаратуры выбирается алгоритм ЦОС, включающий алгоритм собственно демодуляции, частотной, фазовой и тактовой синхронизации и т.д. Математические модели указанных алгоритмов в большинстве случаев оказываются весьма сложными для аналитического рассмотрения, поэтому наиболее мощным и универсальным методом исследования и оценки систем цифрой обработки является компьютерное имитационное моделирование.
Итак, выбор алгоритмов и конфигурации цифровой системы обработки сигналов является в обшем случае достаточно сложной задачей, которая может быть решена лишь с учетом множества факторов, влияющих на характеристики этой системы (требуемые скорость передачи данных, помехозащищенность, стоимость, функциональная гибкость и т.п.). Возникает проблема повышении эффективности устройств ЦОС в смысле улучшения одного или нескольких указанных параметров при ограниченной области изменения остальных. Очевидно, что для каждого конкретного случая (минимизация вероятности ошибочного приема, минимизация времени вхождения в синхронизм, максимизация быстродействия и т.п.) повышение эффективности может быть проведено разными способами и за счёт оптимизации функционирования различных подсистем устройства ЦОС.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности модемов цифровых систем передачи информации путем оптимизации алгоритмов, структур и элементной базы программируемых устройств цифровой обработки сигналов на основе использования имитационных моделей. Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:
разработка среды моделирования устройств ЦОС на базе современной среді разработки приложений Delphi, позволяющей создавать программные моделі имеющие эффективный машинный код и гибко настраиваемый под конкретны задачи интерфейс. Указанная среда моделирования должна давать возможное! проводить анализ и оптимизацию параметров-устройств ЦОС различного типа;
анализ алгоритмов цифровой обработки, включая алгоритмы фазовой, тактової* цикловой синхронизации и собственно демодуляции на основе использовани разработанных программных моделей. Анализ должен включать расемотреші эффективности указанных алгоритмов и сложности их реализации на цифрової элементной базе при заданных условиях приема (отношение сигнал/шум, мето, модуляции, частотная и фазовая нестабильности и т.п.). Анализ следует провесп применительно к системам, использующим как алгоритмы оптимальной ЦО( (например, спутниковые системы связи), так и упрощенные (подоптимальные алгоритмы (например, системы, рассчитанные на реализацию на основі микроконтроллеров), анализ должен завершаться оптимизацией алгоритмої обработки сигналов;
выбор цифровой элементной базы для реализации модемов цифровых систе.\ передачи информации с учётом конкретных условий работы и функциональной предназначения данных устройств;
разработка рекомендаций по конкретной реализации рассмотренных алгоритмов ш перспективной элементной базе с учетом полученных результатов по оптимизашп У ЦОС.
Методы исследования
При решении перечисленных задач использовались: имитационное моделирование на ПК с применением программных пакетов Delphi, MATLAB, Turbo-Pascal; методы статистической теории связи; методы линеаризации нелинейных систем автоматического регулирования; для работы с ПЛИС Altera использовались САПР Max+Plus II и Quartus.
Положения, выносимые на защит}'
-
Разработанная среда моделирования устройств ЦОС на базе современного средства разработки приложений Delphi имеет удобный и гибко настраиваемый интерфейс, обеспечивает лёгкую расширяемость, универсальность и высокое быстродействие.
-
Предложенная схема цифровой системы ФАПЧ, включающая дополнительные генератор и фильтр, не входящие в петлю обратной связи, позволяет, не снижая полос
захвата и удержания системы, не нарушая условий устойчивости и не увеличивая времени переходного процесса, добиваться снюкения уровня фазовых флуктуации выходного сигнала.
-
Выполнение полученных в работе условий, связывающих полосу пропускания входного полосового фильтра, начальную частотную расстройку и полосы пропускания фильтров каналов квадратурной системы ЧАП, позволяет устранить систематическую остаточную ошибку определения частоты.
-
Проведенная параметрическая оптимизация подсистем модемов, использующих подоптимальные алгоритмы обработки сигналов, рассчитанные на реализацию на основе микроконтроллеров (например, типа PIC-процессоров компании Microchip), позволяет существенно (не менее, чем на два порядка) уменьшить вероятность ошибки демодуляции.
-
Такие структурные части модемов систем передачи информации, как цифровые квадратурные преобразователи частоты, устройства цикловой и сверхцикловой синхронизации стандартов спутниковой связи IBS и 1DR и БИХ-фильтры, целесообразно реализовывать на базе ПЛИС Altera.
-
Предложенная структурная схема модема стандартов спутниковой связи IDR/IBS с использованием элементной базы компании Harris Semiconductor позволяет реализовывать устройства, характеризующиеся низкой стоимостью, компактностью, высокими скоростью передачи информации и помехоустойчивостью.
Научная новизна
-
Обоснован выбор' программного пакета для разработки среды моделирования устройств ЦОС и создано программное обеспечение, позволяющее производить имитационное моделирование широкого класса оптимальных и подоптимальных алгоритмов цифровой обработки сигналов, рассчитанных на применение программируемой элементной базы.
-
Получены соотношения для шумовой полосы и оценены параметры переходного процесса з цифровой системе ФАПЧ, включающей дополнительные генератор и фильтр, не входящие в петлю обратной связи.
-
Получены соотношения для систематической остаточной ошибки определения частоты квадратурной схемы ЧАЛ в случае присутствия на входе ограниченной по спектру помехи; показана возможность сведения к нулю указанной ошибки.
-
Проведён сопоставительный анализ алгоритмов системы обнаружения информационного пакета, системы тактовой сшгхронизации и собственно
демодулятора модемов, использующих подоптимальные алгоритмы оораооті сигналов, рассчитанные на реализацию на основе микроконтроллеров (например, тш PIC-процессоров компании Microchip), и выделены алгоритмы, обеспечивающі минимум вероятности ошибки демодуляции 5. Проведён сопоставительный анализ схемных'реализаций цифровых БИХ-фильтров цифровых квадратурных преобразователей частоты, основанных на использовані ПЛИС Altera, и выявлены наилучшие схемные решения.
Практическая ценность работы
-
Разработана среда компьютерного имитационного моделирования устройст цифровой обработки сигналов, имеющая удобный и гибко настраиваемый интерфе? и обеспечивающая универсальность и высокое быстродействие.
-
Предложена схема цифровой системы ФАПЧ, включающая дополнительные фильтр генератор, не входящие в петлю обратной связи, использование которой позволяет, к снижая полос захвата и удержання системы, не нарушая условий устойчивости и н увеличивая время переходного процесса, добиваться снижения уровня фазовы флуктуации выходного сигнала.
-
Получены соотношения, связывающие параметры входного фильтра и фильтров каналах квадратурной схемы ЧАП, выполнение которых позволяет свести к нуль систематическую остаточную ошибку определения частоты.
-
Проведена параметрическая оптимизация алгоритмов подсистем ЦОС в модема выполненных на основе РІС-процессоров для систем охранной сигнализации позволившая на два порядка уменьшить ошибку демодуляции.
-
На базе семейства FLEX10K ПЛИС Altera реализованы программные модулі цифровых БИХ-фильтров, квадратурных преобразователей частоты и устройст цикловой и сверхцикловой синхронизации стандартов спутниковой связи IBS и IDR Представлены рекомендации по выбору структурной схемы модема этих стандартов
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и 4-> приложений. Текст диссертации содержит 171 машинописных страниц, 78 рисунков и 1 таблиц. Список литературы включает 108 наименований.
Вклад автора в разработку проблемы
Научные положения, теоретические выводы, практические рекомендации, расчёты и математическое моделирование в диссертации разработаны автором самостоятельно.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы докладывались автором на межвузовской молодёжной аучной школе «Радиоэлектроника и САПР радиоэлектронных устройств и систем», ноябрь 998г.(Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет); 1 международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные зхнологии образования и науки», январь 1999г.(Санкт-Петербургский государственный гхнический университет); международном семинаре «Перспективы использования VSAT гхнологий» в рамках Второй международной конференции «Спутниковое и кабельное ;левидение XXI века», февраль 2000г.(Москва). По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Автором получены справки об использовании результатов диссертационной работы в асти рекомендаций по созданию цифровых квадратурных преобразователей частоты и ггройств цикловой/сверхцикловой синхронизации стандартов спутниковой связи IDR и IBS г предприятия «КОМИН» и в части оптимизации параметров модемов применительно к ястемам охранной сигнализации «Атлас-20» - от предприятия «Аргус-Спектр».
