Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ
СИГНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СИСТЕМАХ МНОГОКАНАЛЬНОЙ
РАДИОСВЯЗИ 12
1.1. Направления развития первичной сети связи общего пользования
Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации 12
Анализ требований предъявляемых к системе связи 16
Анализ направлений совершенствования систем многоканальной радиосвязи 20
1.4. Анализ систем объединения и разделения каналов в линиях
многоканальной радиосвязи 26
1.5. Выводы и постановка задачи исследования 32
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ В КАНАЛАХ С ПОСТОЯННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
ПРИ БШ И С МЕДЛЕННЫМИ ОБЩИМИ ЗАМИРАНИЯМИ ПРИ
БШ 34
2.1. Построение математических моделей источника, канала, сигнала 35
Модель источника 36
Модель канала 36
Модели сигналов 38
2.2. Методика анализа потенциальной помехоустойчивости групповых
сигнальных конструкций 41
Необходимые исходные данные для проведения расчетов 43
Методика выбора областей оптимального принятия решения 46
Средняя вероятность ошибки в К-битовом блоке 46
Средняя вероятность ошибки в каждом бите и на бит 54
Точные формулы для сигнальной конструкции ФМ-М в каналах с постоянными параметрами и БШ 56
Точные формулы для сигнальной конструкции классическая КАМ-М
в каналах с постоянными параметрами иБШ 63
2.2.7. Точные формулы для сигнальной конструкции иерархической КАМ-
М в каналах с постоянными параметрами иБШ 72
2.3. Особенности методики анализа потенциальной помехоустойчивости
цифровых сигналов для каналов с медленными общими замираниями и
белым шумом 76
2.3.1. Специальная интегральная функция для расчета вероятности ошибки
в канале с общими замираниями Релея, Раиса, Накагами и Бекмана 80
2.3.2. Точные формулы вероятности ошибок Ре, Ры и Рь для сигналов ФМ-М
в каналах с релеевскими замираниями 86
2.3.3. Точные формулы вероятности ошибок Ре, Ры и Рь для сигналов КАМ-
М в каналах с райсовскими и релеевскими замираниями 87
Выводы по второму разделу 91
3. АНАЛИЗ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ И
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУППОВЫХ СИГНАЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ В КАНАЛАХ С ПОСТОЯННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
ПРИ БШ И С МЕДЛЕННЫМИ ОБЩИМИ ЗАМИРАНИЯМИ ПРИ
БШ 93
3.1. Анализ помехоустойчивости модемов ФМ при когерентном приеме в
каналах без замираний 94
Анализ помехоустойчивости модемов ФМ-М при различных М и заданных значениях Рь и Ре в каналах без замираний 95
Анализ спектров вероятности ошибки сигналов ФМ-М в битах при различных М в каналах без замираний 101
3.2. Анализ помехоустойчивости модемов классической КАМ при
когерентном приеме в каналах без замираний 105
Анализ помехоустойчивости модемов КАМ-М при различных М и заданных значениях Рь и Ре в каналах без замираний 106
Анализ спектров вероятности ошибки сигналов КАМ-М в битах при различных М в каналах без замираний 113
3.3. Анализ помехоустойчивости модемов иерархической КАМ при
когерентном приеме в каналах без замираний 118
Анализ помехоустойчивости модемов иерархической КАМ-М при различных М при заданных значениях Рь и Ре в каналах без замираний 119
Анализ спектров вероятности ошибки сигналов иерархической КАМ-
М в битах при различных М в каналах без замираний 127
Выводы по третьему разделу 129
4. МЕТОДИКА СОПОСТАВИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА И ОЦЕНКА
СПЕКТРАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
МНОГОПОЗИЦИОННЫХ СИГНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ для
СИСТЕМ ЦИФРОВОЙ МНОГОКАНАЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ С ВРК И
ОЧРК И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ИХ РЕАЛИЗАЦИИ 132
Описание структуры модема 133
Предложения по технической реализации 143
4.3. Методика и результаты сопоставительного анализа спектрально -
энергетических характеристик систем передачи с ВРК и ОЧРК 147
Выводы по четвертому разделу 154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 158
5 Перечень условных сокращений
Введение к работе
Развитие первичной сети общего пользования взаимоувязанной сети связи РФ осуществляется большими темпами. При этом важная роль отводится средствам многоканальной радиосвязи (МКРС). Наиболее перспективными являются цифровые системы передачи информации (СПИ). В большинстве регионов страны используются в качестве основных, резервных и на линиях привязки средства спутниковой, тропосферной и радиорелейной связи. Несмотря на их различие, все они характеризуются общими качественными показателями: пропускной способностью и помехоустойчивостью, для обеспечения которых приходится затрачивать определенную мощность сигнала и занимать некоторую полосу частот в канале связи [1,2, 3,4, 5].
Модулированные входным потоком многопозиционные сигналы фазовой модуляции (ФМ-М) или квадратурной амплитудной модуляции (КАМ-М), посредством которых осуществляется перенос информационных битов по линии связи, будут являться групповыми. В этом случае важно знать, какую помехоустойчивость может иметь каждый бит. На основании этого за отдельными битами или группой бит, обладающих разной помехоустойчивостью, можно "закрепить" передачу информации различной степени важности. Выполняется разбиение общего транспортного потока на подпотоки по приоритетам или иерархическая передача информации. Причем первый поток может включать либо первый, либо первый и второй биты сигнальной конструкции, во второй поток войдут оставшиеся биты.
Исследованием многопозиционных сигнальных конструкций ФМ-М и КАМ-М занимались многие отечественные и зарубежные ученые. Были получены точные и приемлемые для расчета приближенные формулы средней вероятности ошибки (Рьі) в каждом /-м бите Х-битового блока при любом М=2А: только для первого, второго и третьего бита. При некогерентном приеме - для любого i = l,K сигналов относительно фазовой модуляции (ОФМ-М) известны также точные
формулы для Ры при любых / = 1, К, представляемые знакопеременными рядами по гипергеометрическим функциям. При определенных сочетаниях исходных данных эти ряды медленно сходятся и ведут к потерям точности из-за необходимости вычисления на ЭВМ большого числа разностей асимптотически сближающихся
7 величин [6, 7, 8, 9, 10].
Известные методики анализа спектрально-энергетической эффективности не всегда пригодны для оценки групповых многопозиционных сигнальных конструкций, так как основаны на использовании приближенных расчетных формул. Их точность достаточна лишь при значениях средней вероятности ошибки на бит на выходе демодулятора Рь< Ю-3, а в остальных случаях погрешности оценки требуемых отношений сигнал/шум могут быть 1 дБ и более. Но в перспективных средствах связи наиболее актуальны расчеты при Рь > 10-3, так как для цифровых станций, использующих внутреннее и внешнее помехоустойчивое кодирование с перемежением и другие методы обработки сигнала, становятся допустимыми значения 1(Г2
При этом используются сигналы большой позиционности (М»2), где
М-2 - количество сигнальных (АГ-битовых) точек в сигнальной конструкции. Поэтому необходимо знать точное распределение средних вероятностей ошибок
Ры в каждом i-u бите ЛГ-битового блока i = \,K, где К- количество бит, переносимое одной сигнальной точкой, а не только значения средней вероятности ошибки в ЛГ-битовом блоке Ре и средней вероятности ошибки на бит Рь.
Для многопозиционных сигналов классической и иерархической КАМ-М, наиболее важных для рассматриваемого научного направления исследований, точные формулы для Ры при любом г = \,К без ограничения на отношение сигнал/шум и позиционность сигналов неизвестны.
Сказанное обусловливает актуальность разработки математических моделей сигнальных конструкций для расчета помехоустойчивости ФМ-М и КАМ-М сигналов, в частности - вероятности ошибки без ограничения на отношение сигнал/шум и позиционность сигналов, и разработки усовершенствованных методик сопоставительного анализа групповых сигнальных конструкций, отличающихся учетом разбиения группового потока на подпотоки по приоритетам.
Целью исследований является разработка математических моделей сигнальных конструкций и создание на их основе методик анализа потенциальной помехоустойчивости и энергетических характеристик многопозиционных сигнальных конструкций.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать математические модели сигнальных конструкций для анализа вероятностных характеристик.
На основе полученных математических моделей сигнальных конструкций получить точные формулы расчета вероятности ошибки в каждом бите без ограничений на отношение сигнал/шум и позиционность сигналов.
Проверить адекватность полученных результатов и выявить зависимости связывающие функциональные показатели с внутренними параметрами сигнальных конструкций.
Разработать методику определения и оптимизации по заданным критериям качества параметров сигнальной конструкции для систем цифровой многоканальной радиосвязи.
Для достижения цели исследований применялись следующие методы: теории вероятностей и математической статистики, теории случайных процессов, математического моделирования, статистической теории принятия решений.
Научная новизна результатов
Разработана математическая модель сигнальных конструкций и усовершенствованна методика анализа, позволяющая впервые решить задачу оптимизации внутренних параметров сигнальной конструкции для любых сигналов ФМ-М, классической и иерархической КАМ-М.
Получены точные формулы для расчета вероятности ошибки в каждом бите групповых сигнальных конструкций ФМ-М, классической и иерархической КАМ-М любой позиционности.
Выполнен анализ групповых сигнальных конструкций в виде, позволяющим уменьшить влияние погрешностей расчета на ЭВМ, возникающих ранее при вычислении большого числа разностей асимптотически сближающихся величин.
Практическая ценность результатов работы
Повышение помехоустойчивости передачи информации на основе математического моделирования сигналов и анализа их в алгоритмах формирования и приема модемов с OFDM.
Возможность строгой оценки границ областей применения каждого из методов модуляции и кодирования, режимов работы модемов с OFDM на основе методики точной аналитической оценки помехоустойчивости при использовании сигналов ФМ, КАМ, ИКАМ без ограничения на отношение сигнал/шум и позиционность сигналов.
9 онность сигналов.
3. Разработка ГОСТов на модемы систем проводной и беспроводной связи с включением в них требований к методам формирования и приема сигналов, к режимам работы и к показателям качества модемов основанных на математических моделях и методиках оценки потенциальной возможности этих модемов.
Реализация результатов работы
Разработанные модели и методики реализованы в форме алгоритмического и программного обеспечения при исследованиях, связанных с изучением многопозиционных сигнальных конструкций и внедрены в деятельность 29-го Испытательного полигона МО РФ (г. Ульяновск).
Разработанная методика анализа помехоустойчивости групповых сигнальных конструкций для линий многоканальной радиосвязи реализована в НИР "Сигнал" (УВВИУС г. Ульяновск.)
Полученные результаты и разработанное программное обеспечение применяются также в учебном процессе Ульяновского высшего военного инженерного училища связи при изучении дисциплины «Теория электрической связи» для специальности «Многоканальные телекоммуникационные системы».
Достоверность результатов
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена обоснованным использованием аналитических и численных методов расчета, методов математического моделирования и применением современных методик экспериментальных исследований, подтверждена результатами математического моделирования, результатами экспериментов и испытаний.
Основные положения выносимые на защиту
Методика анализа и оценка потенциальной помехоустойчивости и энергетических характеристик групповых сигнальных конструкций в канале с постоянными параметрами и белым шумом, с учетом разбиения группового потока на подпо-токи по приоритетам, получением и применением точных формул вероятности ошибки в каждом бите без ограничения на отношение сигнал/шум и позиционность сигналов.
Оценка потенциальной помехоустойчивости и энергетических характеристик групповых сигнальных конструкций в каналах с медленными общими замираниями Релея, Раиса, Накагами и Бекмана при белом шуме, с учетом разбиения
10 группового потока на подпотоки по приоритетам, получением и применением точных формул вероятности ошибки в каждом бите без ограничения на отношение сигнал/шум и позиционность сигналов.
Методика сопоставительного анализа и оценка спектрально-энергетических характеристик многопозиционных групповых сигнальных конструкций для систем цифровой многоканальной радиосвязи с временным и ортогональным частотным разделением каналов и предложения по их применению.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-практической конференции: "Безопасность и экология Санкт-Петербурга" (г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 1999 г.), научно-технической конференции «Проблемы управления и эффективности применения военной связи, систем, комплексов средств связи и АСУ в локальных конфликтах» (Ульяновск, 2000), 6-й военной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования 29-го Испытательного полигона МО РФ (Ульяновск, 2001 г.), VII международной научно-методической конференции ВУЗов и факультетов телекоммуникаций, (г. Москва, МТУСИ, 2002 г.), научно-технической конференции «Актуальные вопросы совершенствования техники и систем военной связи на основе современных телекоммуникационных и информационных технологий» (Ульяновск, 29 испытательный полигон МО РФ 2004 г.),
Публикации результатов работы.
По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 9 научных статей, тезисы доклада. Результаты работы отражены также в учебнике «Спутниковые и радиорелейные системы передачи», утвержденном начальником Связи Вооруженных Сил РФ для военных вузов связи.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований. Общий объем 167 страниц машинописного текста, 60 рисунков и 12 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об использовании, реализации и апробации результатов работы, структуре диссертации.
В первой главе рассмотрены основные направления развития первичной сети связи общего пользования взаимоувязанной сети связи РФ. Выделены основные требования, которым должна соответствовать система связи. Дается обзор применения средств МКРС. Опираясь на руководящие документы и опыт применения средств связи, обосновываются направления совершенствования систем МКРС с возможностью разбиения группового цифрового потока на подпотоки по приоритетам.
Проводится анализ существующих систем объединения и разделения каналов в линиях МКРС и раскрываются особенности системы ОЧРК как одной из перспективных. Сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе определены модели канала, сигнала, источника сообщений и выполнена разработка методики анализа потенциальной помехоустойчивости и энергетических характеристик групповых сигнальных конструкций в каналах с постоянными параметрами и белым шумом, а также в каналах с общими замираниями Релея, Раиса, Накагами и Бекмана и белым шумом, с учетом разбиения общего информационного потока на подпотоки по приоритетам. Получены формулы в виде, исключающем потери точности и некорректность вычислений на ЭВМ, возникающие в случаях, когда в конечном результате доминируют разности асимптотически сближающихся слагаемых, что имело место в ряде известных точных формул.
В третьей главе на основании разработанной методики проведен сопоставительный анализ и представлены оценки потенциальной помехоустойчивости и энергетических характеристик групповых сигнальных конструкций, позволяющих осуществить разбиение группового потока на подпотоки по приоритетам, в каналах с постоянными параметрами и белым шумом.
Четвертая глава посвящена разработке методики сопоставительного анализа помехоустойчивости и спектрально-энергетических характеристик средств и комплексов цифровой многоканальной радиосвязи с временным и ортогональным частотным разделением каналов, обеспечивающих разбиение общего информационного потока на подпотоки по приоритетам, и сделаны предложения по их применению.
В заключении изложены основные выводы по результатам диссертационной работы и определены направления дальнейших исследований, а также отмечены вопросы апробаций и реализаций научных результатов.
Похожие диссертации на Математическое моделирование и оценка спектрально-энергетических характеристик многопозиционных сигнальных конструкций для систем многоканальной радиосвязи
