Введение к работе
Актуальность темы. Многоканальные системы передачи (МСП), осуществляющие одновременную и независимую передачу сигналов по одной линии связи и использующие принцип ортогонального разделения сигналов - разделения по форме (МСП РФ), привлекли повышенное внимание разработчиков современной аппаратуры связи В Германии разработана система T-DAB для высококачественного стереофонического радиовещания с качеством компакт-диска в УКВ диапазоне, использующая метод модуляции CODFM (Coding Orthogonal Frequency Division Multiplex). Ведется разработка стандарта на основе CODFM для передачи цифрового телевидения высокой четкости.
Новейшая аппаратура мобильной связи CDMA компании QUALCOMM Incorporeted использует в качестве канальных сігналов функции Уолша и обеспечивает пропускную способность в 10-20 раз выше, чем у аналоговых систем AMPS (American Advanced Mobile Phonesystem) и втрое выше, чем у других технологий цифров ой радиосвязи
В 1995 году принят стандарт ANSI Т.413 доя высокоскоростной (до 8 Мбит/с) асимметричной передачи данных по двухпроводной абонентской линии (ADSL). Стандартом рекомендуется для ADSL многоканальный способ передачи с гармоническими сигналами, шзванный DMT (Discrete Multi Tone). Разрабатывается стандарт га системы передачи по скрученной паре со скоростью до 5 6 Мбит/с.
Многоканальные модемы успешно применяются для передачи данных по телефонным каналам тональной частоты (ТЧ). Фирмой Telebit разработан модем WordBlaser, использующий специальный метод модуляции TurboPEP. При передаче данных да каналу ТЧ модем использует 511 ортогональных несущих, каждая из которых тестируется при установлении соединения. Скорость передачи в каждом из каналов задается в соответствии с измеренным отношением сигнал/шум. В результате огггамгоируются как скорость передачи, так и полоса частот, занимаемая групповым сигналом, в зависимости от характеристики канала связи Модем обеспечивает скорость передачи данных до 23000 биг/с и устойчиво работает по каналам со значіггельньїшілинеіЬньїміїискажениямиищумами
Приведенный краткий обзор современных систем связи, использующих многоканальный способ передачи и ортогональное разделение сигналов, демонстрирует тот факт, что МСП РФ обеспечивают более высокую, чем МСП с частотным или временным разделением каналов (ЧРК, ВРК), эффективность передачи информации по каналам связи с ненормированными и нестабильными во времени частотными характеристиками, с аддитивными и мультипликативными
помехами с неизвестными законами распределения. Широко распространенные на сети связи МСП ЧРК и МСП ВРК проектировались и оптимизировались под линии связи (среды распространения), обладающие стабильными во времени линейными частотными характеристиками и аддитивными, как правило, с нормальным законом распределения, шумами. Используемые для их построения принципы ЧРК и ВРК не позволяют достичь высокой эффективности передачи информации по радиоканалам, частотные характеристики которых постоянно изменяются в силу многолучевости распространения и отражений радиоволн Характерной особенностью радиоканалов, а также неэкранированных абонентских; линий связи является наличие мощных сосредоточенных по спеиру и импульсных помех. По этим причинам высокоэффективные системы передачи должны обладать малой чувствигельностью к неравномерности частотных характеристик канала связи и импульсным помехам, а также способностью адапшвно перераспределять энергию группового сигнала в полосе частот канала с целью исключения неблагоприятных для передачи участков полосы частот используемого канала связи Этим требованиям лучшим образом отвечают МСП РФ, использующие системы ортогональных полосноограниченных сигналов.
Теория МСП РФ развивалась в русле фундаментальных основ теории связи, заложенных X. Найквистом, В.А Котельниковым, К. Шенноном, А.А. Харкевичем, А.Д. Витерби, В.И. Тихоновым, Д Возенкрафтом и другими крупными учеными, труды которых определили современное состояние теории связи. Специфика систем передачи, использующих системы ортогональных сигналов, исследована в работах ХФ. Хармута, Н.Г. Дядюнова, А.И. Сенина. Впервые Р. Чанг и Б. Зальцберг обратили внимание исследователей на преимущества систем ортогональных полосноограниченных сигналов, энергия каждого из которых сконцентрирована в узком, относительно полосы частот канала диапазоне. С общих теоретических позиций решение проблемы гюстроения систем ортогональных сигналов для МСП РФ, удовлетворяющих обобщенному критерию Найквиста и обеспечивающих асимптотически предельную скорость передачи независимых сигналов по полосноограниченному каналу связитіредложено П. Я. Нудельманом.
Большой вклад в развитие теории МСП внесли ученые Украинской государственной академии связи им. А.С. Попова: Панфилов И.П, Банкет В.Л, Захарченко Н.В., Зюко А.Г., Кисель В.А., Брескин В.А., Лев А.Ю., Павличенко Ю.А., Рахович Л.М. Однако, несмотря на значительные достижения в области теории и практики построения МСП РФ, ряд задач теоретико-прикладного характера нуждаются в решении. Так, например, нет ответа на вопросы: какая из систем ортогональных сигналов обеспечивает минимальные интерференционные помехи
при передаче по полосноограниченному каналу связи с линейными искажениями передаточной функции (ПФ) с максимальной (Найквистовой) скоростью; какая из систем ортогональных сигналов обеспечивает оптимальный обмен скорости передачи на устойчивость МСП РФ к возмущениям характеристик канала связи. Отсутствуют практические методики расчета интерференционных помех в МСП РФ, порожденных не только линейными искажениями ПФ канала связи, но и нестабильностью тактовой частоты, несинхронностью генераторов передатчика и приемника, мультагашкативными помехами. Отсутствуют методы коррекции линейных искажений ПФ каналов связи, отражающие специфику МСП РФ. В результате решения указанных задач будет завершена разработка теоретических и реализационных основ построения МСП РФ, что позволит разрабатывать и внедрять на сети связи Украины современные высокоэффективные системы передачи.
Связь работы с научными программами, планами, темами Основные результаты работы получены в процессе выполнения научно-исследовательских и опьггно-конструкторских работ, проводимых Украинской государственной академией связи им. А.С. Попова по заказам и планам Государственного комитета Украины (Министерства связи Украины), ведущих научно-исследовательских институтов: Украинского научно-исследовательского инсппута связи Украины (г. Киев); Одесского научно-исследовательского ішститута связи (г. Одесса); Украинского научно-исследовательского инсппута радио и телевидения (г. Одесса); научно-исследовательского института "Аккорд" (г. Черкассы) и направлены на выполнение задач по построению современной цифровой сети связи Украины и разработке эффективных систем передачи информации, определенных Комплексной программой единой национальной сети связи Украины (КП ЕНСС Украины).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является разработка теоретических и реализационных основ построения современных систем передачи с огпимальными ортогональными сигналами, обеспечивающими высокую эффективность передачи информации по каналам связи с ненормированными и нестабильными характеристиками, линейными искажениями ПФ, аддитивными и мультипликативньши помехами
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-разработать теоретическую модель МСП с ортогональным разделением сигналов и исследовать чувствительность различных сигналов к линейным искажениям ПФ канала связи и другим мешающим факторам;
- разработать методику оценки мощности интерференционных помех в МСП, порождаемых линейными искажениями ПФ канала связи, несинхронностью
задающих генераторов, неточностью оценки фазы тактовой частоты и другими мешающими факторами;
исследовать и разработать методы адаптивной коррекции в МСП с учетом их специфики;
разработать методику синтеза систем сигналов для МСП, удовлетворяюлцк обобщенному критерию Найквиста;
исследовать и разработать методы повышения помехозащищенности МСП от действия мультипликативных помех;
-исследовать и разработать эффективные алгоритмы цифровой обработки сигналов в МСП на основе методов быстрого преобразования Фурье (БПФ);
- исследовать и разработать реализационные принципы построения МСП с
ортогональным разделением сигналов.
Научная новизна полученных результатов. Разработана математическая модель МСП с Найквистовой скоростью передачи и получена оценка дисперсии суммарной (межканальной и межсимвольной) интерференционной помехи.
Доказано, что различные сигналы, удовлетворяющие обобщенному критерию Найквиста, при максимальной скорости передачи по талосноограниченному каналу эквивалентны по критерию энергии суммарных интерференционных помех.
Доказана эффективность применения в МСП с полосноограниченными сигналами матричных преобразований сигналов на передаче и приеме, обеспечивающих выравнивание вероятности ошибки по каналам при неравномерности АЧХ канала связи
Разработан метод синтеза систем ортогональных сигналов - переносчиков для МСП на основе гармонических сигналов.
Разработаны методики расчета интерференционных помех во временной и частотной областях, получены расчетные соотношения, позволяющие с высокой вычислительной эффективностью рассчитывать помехи, порожденные линейными искажениями ПФ канала связи ирядом иных мешающих факторов.
Разработан оптимальный в среднеквадратичной метрике метод коррекции линейных искажений ПФ канала связи, максимширующнй энергмо импульсной реакции сквозного канала в заданном интервале времени.
Разработан метод синтеза корректирующих цепей с произвольными базисными функциями на основе гармонического базиса.
Разработан метод оценки параметров и компенсации паразитной фазовоіі модуляции (ПФМ) в МСП с ортогональными гармоническими сигналами
Практическое значение полученных результатов. Практическими результатами полученными в диссертационной работе, являются следующие:
предложены два способа передачи по полосноограниченным каналам связи с временным разделением каналов, обеспечивающие частотную эффективность и нормы на межканальные переходы, предъявляемые к МСП ЧРК;
синтезированы оптимальные сигналы-переносчики на основе гармонических ортогональных сигналов, обеспечивающие существенное снижение уровня интерфереіщионньїх помех в МСП, порождаемых линейными искажениями ПФ канала связи и другими мешающими факторами;
разработаны методики расчета интерференционных помех в МСП, позволяющие, не проводя натурного макетирования, с высокой достоверностью прогнозировать качественные характеристики проектируемых МСП;
разработан алгоритм коррекции, ограничгаающий длительность импульсной реакции (ИР) сквозного канала передачи, позволяющий уменьшить интерференционные помехи, порождаемые линейными искажениями ПФ канала связи;
-разработан эффективный алгоритм подавления ПФМ в МСП с ортогональными гармоническими сигналами;
- разработаны универсальные имитационные программы, включающие модели
МСП, каналов связи с различными искажениями и помехами; а также сервисные
программы по оценке качественных характеристик работы моделей
На основе полученных в диссертации результатов был разработан ряд алгоритмов функционирования современных МСП и технических решений по их реализации:
разработано алгоршмияеское обеспечение, включая имитационную программную модель, МУПС-1024, предназначенного для передачи информации со скоростью 1024 кбит/с по вторичным широкополосным каналам и трактам, а также линейным трактам аппаратуры уплотнения К-60П Модем используется в составе аппаратуры уплотнения "Гамма-ЦТ", разработанной НЛП "Фактор" (г. Киев). В настоящее время осуществляется опытная эксплуатация аппаратуры;
разработана совместно с КБ "Полисвит" (г. Харьков) современная цифровая система передачи по абонентским линиям. Опытные образцы приняты комиссией, готовится к выпуску в 1998 г. опытная партия аппаратуры ЦСП-АП-4 на заводе "Коммунар" (г. Харьков);
-разработана по заказу п/я "Аккорд" (г. Черкассы) система эхокомпенсации модема по рекомендации V-3 2;
- разработано по заданию Главного Управления правшельствешяэй связи (г.
Киев) алгоритмическое обеспечение модема по рекомендации V-34;
-разработана КД цифровой системы передачи по двухпроводным линиям связи и передана на ПЗ "ЭЛМИС" (г. Киев) для изготовления опытных образцов;
- разработаны опытные образцы многоканального УПС на скорость передачи 9,6 кбит/с по каналам ТЧ. Разработка осуществлена совместно с Украинским научно - исследовательским институтом связи (г. Киев) в рамках выполнения НИР и ОКР 'Тазработка единого комплекса аппаратуры вторичного уплотнения для телеграфирования и НСПД на магистральной, зоновой и местных сетях ЕАСС", № ГР 81031923.
Личный вклад соискателя. Оценки дисперсии полной интерференционной помехи в МСП РФ с Наиквистовои скоростью передачи и матричной обработкой (разделы 1, 2) получены в соавторстве с Нуделъманом П.Я. Методика расчета межканальиых и межсимволъных помех разработана соискателем самостоятельно.
Универсальная методика расчета шггерферешионных помех в частотной области, методы и алгоритмы компенсации паразитной фазовой модуляции (разделы 4,7) разработаны соискателем при участии аспирантки Фоминой Г.Т.
Методика расчета интерференционных помех во временной области, методы коррекции линейных искажений для МСП с защитным временным интервалом (разделы 4, 5) разработаны соискателем при участии аспирантов Абдуллаха М. и Кузнецова В. А.
Эффективные алгоритмы цифровой обработки сигналов в МСП (раздач 6) разработаны под ігаучньш руководством соискателя в процессе выполнения НИР и ОКР.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и научно-технических совещаниях:
1 Международная научно-техническая конференцій "Спутниковые системы связи и вещания", Одесса, 1993;
Международная научно-техническьзі конференция "Перспективы развития систем радиосвязиителевизионного вещания", Одесса, 1993;
Е Мезвдународшя конференция по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию "УкрТелеКом'95", Одесса, 1995;
Ш Международная конференция по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию "УкрТелеКонф'97", Одесса, 1997;
Международная научно-практическая конференция "Системы и средства передачи и обработки информации" (ССПОИ), Одесса, 1997;
Научно-техническое совещание "Стратегия вхождения Украины в мировое информационное пространство", Киев, 1997.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 научных статей, учебник, учебное пособие, прочитан 21 доклад на международных; и отраслевых
научно-технических конференциях, получено 20 авторских свидетельств на изобретения. Основные результаты работы нашли отражение в 10 научно -технических отчетах по хоздоговорным научно - исследовательским работам.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 разделов, выводов и трех приложений Общий объем диссертации составляет 364 страниц текста, 107 рисунков, 7 таблиц, списка использованных источников, включающего 183 наименования на 17 страницах, и 76 страниц приложений
