Введение к работе
Актуальность темы. В процессе создания современных систем передачи дискретных сообщения значительное внимание уделяется повышению эффективности использования полосы частот.занимаемой каналом передачи. Увеличение удельной скорости передачи информации в отведенной полосе частот возможно осуществить за счет увеличения объема канального алфавита при переходе, к многопозиционной амплитудно-фазовой манипуляции с применением методов помехоустойчивого кодирования. Дополнительные возможности в повышении эффективности систем связи открываются при использовании сигналов спямальяой формы с плавным законом изменения амплитуды или фазы колебания, имевших ограниченный спектр частот.
Поскольку улучшение спектральных характеристик сигнала (полоса занимаемых частот.уровни внеполосных излучений и т.п.) связано не только с изменением формы, но и с увеличением длительности сигнала,в современных системах часто используется режим специально введенной, межсимвольной интерференции<МИ).Как правило, при этом вид сигнал;! stt-kT.d;1"), начинающегося в момент времени кт и имеющего длительность те>т, определяется значением только одного информационного символа а^' (случай независимых сигналов) из
Последовательности DN={dp' а'г"~*' d'""1'} (p,r,s=l,2,...,m,
где m-объем алфавита источника сообщения; т=і/в, в - техническая скорость передачи символов). В этом случае свойства последовательности y(t,DN> передаваемых сигналов su-kT.d^') с ограниченным спектром оказываются подобными свойствам последовательности финитных сигналов длительностью Т, передаваемых по каналу с памятью Тп=Тс<
Однако возможен и более обшил подход, когда вид сигнала s(t-kT,D^,) зависит не только от значения очередного символа d^k>, но определяется также значениями і .предшествующих и j последующих символов, т.е.зависит от номера l (L=i,2,...,mI*J*1) комбинации
символов D'^Md^'
последовательности dn, где dp^'.d^.d^'f- конкретные значения
СИМВОЛОВ BL-ОЙ КОМбИНаЦИИ (i=l,2,. ,.,IiJ=l,2,. ..,J) (случай зависимых
сигналов). Введение такого общего подхода позволяет реализовать дополнительные . возможности при . задании сигналов. Например, контролировать значение пикфакторз последовательности y(t.DNj. В случае зависимых сигналов влияние значения информационного символа а;*», на форму y(t,DM) будет осуществляться на интервале времени
Гп-< 1+,1 » г+тс.
Свойства независимых сигналов ( например, вида "sin(t)/t", "приподнятый косинус" и др.) достаточно хорошо изучены (Гуревич
М.С,Glance В., Amoroso D.) ИМЄЄТСЯ ТЭКЖО рЯД рабОТ (С. Б.МакЭрОВ,
И.А.Цикин). в которых отражены свойства зависимых сигналов, учитывающих предыдущий символ a'tk'". Однако отсутствует анализ общего вида зависимых сигналов с зависимостью формы излучаемого колебания от любого числа как предыдущих, так и последующих символов.
В общем случае выбор сигналов необходимо осуществлять, исходя из результатов анализа совместной спектрально-энергетической эффективности. В свою очередь, энергетическая эффективность при выбранном сигнале существенно зависит от алгоритма, используемого при приеме. Ввиду сложности реализации приема "в целом" на практике, как правило, используют алгоритмы с поэлементным принятием решения. Особенно актуальна задача поиска путей приема сигналов с ограниченным спектром в высокоскоростных каналах с низкой энергетикой, когда уровень аддитивного шума соизмерим с уровнен МИ к известные алгоритмы (например, алгоритм с компенсацией МИ в отсчетных точках) не обеспечивают минимума средней вероятности ошибочного приема, а реализация оптимального Байесова алгоритма с поэлементным принятием решений при МИ затруднена по причине необходимости выполнения большого количества операций, в том числе и нелинейных. В этих условиях большое значение приобретают простые в реализации подоптимальные алгоритмы, обеспечивающие повышение быстродействия демодуляторов.
К числу таких алгоритмов можно отнести, например, известный алгоритм (овьагп w.p.,Luntz м.в.) с усредненным согласованным фильтром (УСФ), полученный из оптимального в предположении малого отношения сигнал-шум. Другим возможным алгоритмом подобного типа является алгоритм (Кловский Д.Д., Николаев Б.И. ,Цикин И.А., Макаров С.Б.)с обратной связью по решению (ОСР), в котором используются решения
а'р"',.-. . ,и'рк'1' о ранее принятых символах. Хотя идея учета уже принятых решений используется достаточно широко, при анализе помехоустойчивости часто не учитывается возможность ошибочных решений (Карташевския В.Г.,Кловский Д.Д..svenson a., sundberg с.-е.>, т.е. обратная связь считается "идеальной". Открытым также остается вопрос о сравнительной эффективности алгоритма с ОСР и других простых в реализации алгоритмов, например, алгоритма оптимального для приема классических сигналов ФМ2 с прямоугольной огибающей (АЛО), используемого для приема сигналов с МИ (Спилкер Дж..Макаров СБ. Никле И.Л.) .
При реализации устройств формирования и приема сигналов со сложными законами изменения огибающей или фазы целесообразно юпользовать дискретную обработку (цифровую или дискретно-аналоговую). Зоздание и быстрое развитие элементной базы дискретной обработки (цифровые интегральные микросхемы, спецпроцессоры,ПЗС приборы) делает актуальным рассмотреннэ путей реализации устройсв формирования и триема зависимых сигналов на основе такой элементной базы.
.Цёйь и задачи работы. Целью диссертационной работы является товышениэ эффективности систем передачи дискретных сообщений на основе трименения зависимых сигналов и использования ггодоптимальных алгоритмов с поэлементным принятием решений. Д.: * достижения "юставленной цели необходимо решить следующие задачи I
-
Определить спектральные характеристики зависимых сигналов при зависимости формы колебания не только от предыдущих, но и от тоследующих символов.
-
Синтезировать подоптимальные алгоритмы приема с УСФ и ОСР, троанализировать помехоустойчивость приема зависимых сигналов с учетом злияния ошибочных решения при использовании алгоритма с ОСР.
-
Оценить энергетическую эффективность подоптимальных а.ягоритмов та отношению к потенциальной. Провести сравнительный анализ "юдоптимальных алгоритмов.
4. На основе полученных спектральных характеристик и
томехоустойчивости приема проанализировать совместную спектрально-
энергетическую эффективность зависимых сигналов.
5. Рассмотреть пути реализация устройств формирования и приема на
эснове использования современной элементной базы, провести
экспериментальное иследование помехоустойчивости приема.
Методы исследования,' Для решения поставленных задач использовались . методы теории вероятностей, статистической радиотехники, теории дискретно-аналоговой и цифровой обработки сигналов. Также было использовано статистическое моделирование, проведено макетирование и испытание опытных образцов аппаратуры формирования и приема зависимых сигналов.
В процессе решения поставленных задач получен ряд результатов, обладающих научной новизнояі
- введено обшее представление зависимых сигналов при произвольное величине объема m канального алфавита, позволяющее для слулл т=2 выявить, что. класс зависимых сигналов длительностью Т віслючает в себя как составную часть независимые сигналы длительностью тс--п».ч > >-і;
-применительно к амплитудному методу ограничения спектра получены условия, которым должны удовлетворять функции, задающие форму колебания, для того, чтобы энергетический спектр шел скорость спада не ниже заданной s
-показано,что для сигналов с МИ при конечной величине Тп не удается свести интервал анализа в оптимальном алгоритме с поэлементным
Принятием решении К БвЛИЧИНе Тп;
-предложенный алгоритм с ОСР-УСФ, полученный на основе совместного применения известного алгоритма с ОСР и УСФ по последующим символам", обладает наилучшей энергетической эффективностью по сравнению с другими подоптималькыми алгоритмами;
-разработаны новые сруктуры устройств формирования и приема зависимых сигналов, защищенные рядом авторских свидетельств.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе полученых требований к функциям, . задающим форму огибающей, можно синтезировать сигналы, обладающие заданной скоростью спада энергетического спектра. Исследования помехоустойчивости подоптимальных алгоритмов могут быть использованы для обоснованного выбора, с учетом возможных потерь, алгоритма обработки сигналов с ограниченным спектром частот. Описанные структуры устройств формирования и приема зависимых сигналов, построенных на основе цифровой и дискретно-аналоговой элементной базы,позволяют увеличить реальное быстродействие демодуляторов сигналов и. целенаправленно проводить выбор способа обработки, осуществляя обмен мощности потребления и сложности реализации на быстродействие устройства. Основные положения, выносимые на.защиту.
-
Разработанный подоптимальный алгоритм с ОСР-УСФ для когерентного приема зависимых сигналов при поэлементном принятии решений и предложенные структуры устройств обработки на основе дискретно - аналоговых и цифровых согласованных фильтров позволяют реализовать высокоэффективные демодуляторы для высокоскоростных систем передачи дискретных сообщений и обоснованно выбирать структура устройства, исходя из требуемой скорости передачи , осуществляя npj этом обмен мощности потребления и сложности реализации ш быстродействие.
-
Наибольшую 'энергетическую эффективность при приеме имев' алгоритм с ОСР-УСФ, обеспечивая энергетический выигрыш по сравнению і другими подоптималмыми алгоритмами для сигналов с зависимостью от 2-: символов свыше 0.8дВ, дяя сигналов с зависимостью от 3-х символов -
4 ' более '2.6дБ.
3. При использованию! алгоритма с ОСР-УСФ и оптимальном выборе
интервала анализа энергетические потери по отношннию к системам с
потенциальной помехоустойчивостью в области практически важных
значений вероятностей ошибочного приема (р<1СГг) для сигналов с
зависимостью от 2-х символов не превышают 0.7дБ, для сигналов с
зависимостью от 3-х символов - 1.7дБ.
4. Для обеспечения малых (&2<3%) среднеквадратических
погрешностей формирования зависимых сигналов на основе дискретных
устройств формирования при выборе восстанавливающего фильтра
невысокого порядка <менее 3) необходимо выбирать количество отсчетных
значения на длительности символа не менее 7.
5. При необходимости получения высокой совместной спектрально-
энергетической эффективности в области вероятностей ошибок р< 1СГг
целесообразно использовать сигналы с зависимостью от 3-х символов при
применении алгоритма с ОСР-УСФ.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, в том числе разработанный алгоритм с ОСР-УСФ и устройства формирования сигналов положены в основу разработок модуляторов для передатчика "Геизер-КМ", приемника "Штрих-П" и модемов станций спутниковой связи "Пихта" и "Аралия" на ПО "Искра" (г.Красноярск), что подтверждается актом внедрения.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на двух республиканских конференциях
Публикации. Материалы работы отражены в 5-й статьях, 6 авторских свидетельствах на изобретения, а также в тезисах 4-й докладов на научно - технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов,' заключения. 2-х приложении и содержит 1S3 страницы текста, 55 рисунков, списка литературы из 63 наименования. Содержание работы
