Введение к работе
Актуальность темы ; Одним из перспективных направлений в исследовании путей повышения эффективности цифровых систем спутниковой связи является использование сигналов с модуляцией непрерывной фазой (МНФ). Их основной отличительной особенностью является отсутствие скачков фазы на границах тактовых интервалов и плавное ее изменение в течение каждого такта. Такие сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, но самое главное - они позволяют более эффективно использовать частотный диапазон, так как благодаря непрерывности фазы скорость убывания внеполосного излучения сигналов МНФ намного выше чем, например, у сигналов ФМ.
В настоящее время известно большое количество сигналов, принадлежащих классу сигналов МНФ. Вместе с тем особого внимания заслуживает подкласс сигналов частотной манипуляции с непрерывной фазой (ЧМнНФ) по нескольким причинам. Во-первых, эти сигналы достаточно просто описываются. Во-вторых, методы их формирования и демодуляции не такие сложные, как, например, для сигналов МНФ с модуляцией частичным откликом. В третьих, частный случай сигнала ЧМнНФ при размере алфавита М=2 и величине индекса модуляции h=0,5 (сигнал модуляции минимальным сдвигом - ММС) уже используется в некоторых спутниковых системах. Однако сигнал ММС не реализует потенциальную помехоустойчивость сигналов ЧМнНФ. Использование сигнала ММС в ряде практических приложений обусловлено наличием относительно простых алгоритмов его формирования и обработки. При этом возможны ситуации, когда по определенным соображениям целесообразнее было бы использовать сигнал ЧМнНФ с размером алфавита , отличным от М=2 и индексом модуляции, отличным от h=0,5. В то же время в известной литературе отсутствуют алгоритмы построения оптимальных приемников для таких сигналов (в известной литературе проведен синтез оптимального демодулятора для произвольных М и h, однако проблема синхронизации решена только для сигнала ММС). Отметим, что в случае ФМ сигналов и сигнала ММС задачи синхронизации по несущей и тактовой частотам могут быть решены раздельно, а для сигналов ЧМнНФ с h?t0,5 алгоритмы синхронизации по несущей и тактовой частотам взаимосвязаны и не могут быть разделены.
В связи с этим актуальным является синтез оптимальных и подопти-мальных приемников для сигнала ЧМнНФ с произвольными значениями алфавита и индекса модуляции.
Цель и задачи диссертационной работы:
Целью работы является разработка оптимальных и подоптимальных алгоритмов когерентной обработки сигналов частотной манипуляции с непрерывной фазой при произвольных заданных значениях индекса модуляции h и размера алфавита М.
В соответствии с этим основными задачами диссертационной работы являются:
проведение анализа влияния величины индекса модуляции h и размера
алфавита М сигналов ЧМнНФ на частотную и энергетическую эффек
тивность, а именно:
выбор и обоснование критериев эффективности;
систематизация имеющихся в известной литературе численных значений показателей эффективности сигналов ЧМнНФ и определение отсутствующих;
проведение сравнения эффективности сигналов ЧМнНФ с целью обоснования актуальности их использования в системах связи при значениях h ф 0,5 и М>2;
синтез алгоритмов построения оптимальных когерентных приемников
для сигналов ЧМнНФ с произвольными значениями алфавита М и ин
декса модуляции h, а именно :
синтез оптимального алгоритма синхронизации по несущей частоте со слежением за суммарной фазой для произвольных заданных значений М и h при известной тактовой частоте;
синтез оптимального алгоритма синхронизации по несущей и тактовой частотам со слежением за суммарной фазой для произвольных заданных значений М и h;
синтез структурных схем оптимальных приемников для сигналов ЧМнНФ с произвольными заданными М и h с использованием синтезированного алгоритма синхронизации и известных в литературе алгоритмов формирования и демодуляции;
исследование влияния синхронизации на помехоустойчивость приема при отсутствии расстройки принимаемого и опорных сигналов;
исследование влияния синхронизации на помехоустойчивость приема при наличии расстройки принимаемого и опорных сигналов;
синтез алгоритмов построения подоптимальных когерентных приемников сигналов ЧМнНФ с произвольными заданными М и h, а именно:
* разработка общей методики построения решетчатых диаграмм для
описания сигналов ЧМнНФ с заданными значениями М и h;
разработка алгоритма построения подоптимальных когерентных демодуляторов для сигналов ЧМнНФ с произвольными заданными значениями М и h;
синтез оптимальных алгоритмов синхронизации по несущей частоте со слежением за начальной фазой сигнала.
Методы исследования: При решении поставленных задач в диссертации используются аналитические и экспериментальные методы исследования. Аналитические методы базируются на теории вероятности, теории оптимального оценивания и др. Экспериментальные методы базируются на математическом моделировании при помощи ЭВМ.
Научная новизна работы:
предложена новая методика анализа эффективности сигналов ЧМнНФ-М, основанная на построении KPh - диаграмм;
аналитически обосновано построение цифровых систем спутниковой связи с когерентной обработкой сигналов ЧМнНФ для произвольных заданных значений индекса модуляции h и размера алфавита М и тем самым созданы условия для внедрения сигналов ЧМнНФ; в частности, синтезированы алгоритмы синхронизации систем передачи информации с сигналами ЧМнНФ-М при произвольных заданных значениях h и М со слежением за суммарной фазой сигнала при известной и неизвестной тактовой частоте;
аналитически обосновано построение цифровых систем связи с подоптимальной когерентной обработкой сигналов ЧМнНФ для любых заданных h и М, в частности, предложена методика синтеза процессора Витерби для демодуляции сигналов ЧМнНФ.
Практическая ценность работы:
установлены границы интервалов изменения величины индекса модуляции h, в пределах которых сигналы ЧМнНФ (при различных размерах алфавита М и интервалах наблюдения N) обеспечивают частотную эффективность выше, а энергетическую эффективность не хуже чем сигналы ФМ; внутри каждого интервала установлены значения экстремальных индексов модуляции;
построены структурные схемы устройств синхронизации для случаев:
синхронизация по несущей частоте при известной тактовой частоте;
синхронизация по несущей и тактовой частотам;
получены количественные оценки потерь в отношении сигнал/шум, об
условленных синхронизацией по несущей при известной тактовой часто
те для случая двоичного сигнала ЧМнНФ с индексами модуляции h=0,5;
0,715 и 0,9; для этих же случаев получены оценки времени вхождения в синхронизм;
построены структурные схемы процессоров Витерби для обработки
двоичного и четверичного сигналов ЧМнНФ при количестве фазовых
состояний v=5.
Реализация и внедрение результатов: Результаты проведенного в работе анализа влияния параметров сигналов ЧМнНФ на показатели их эффективности внедрены при выполнении госбюджетной НИР "Разработка методов повышения эффективности систем цифровой спутниковой связи с многостанционным доступом и временным разделением сигналов" в НИЛ "Радиоэлектроника" при кафедре РТС радиотехнического факультета одесского государственного политехнического университета (1993-1995 гг.).
Апробация результатов работы: Основные положения диссертационной работы обсуждались на II Международной конференции "УкрТелеКом - 95" (19-22 сентября 1995г., Одесса, Украина) и XLX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников Украинской государственной академии связи, посвященной пятилетию независимости Украины (17-20 декабря 1996г., УГАС, Одесса).
Публикации: По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ.
Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 170 листах машинописного текста. Она содержит 136 листов основного текста, 39 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 87 наименований и 6 приложений.
