Введение к работе
Актуальность работы. Быстрое развитие экономики любой промышленно развитой страны приводит к необходимости интенсификации распределения и обмена информацией. Отсюда важным является решение вопросов проектирования и внедрения эффективных высокоскоростных цифровых систем передачи информации или систем передачи дискретных сообщений (СПДС). Если при создании первых СПДС фактором, ограничивающим скорость передачи информации, был энергетический потенциал канала связи (телекоммуникационного канала), то в настоящее время по мере уплотнения последнего на первое место выдвинулся фактор ограниченности полосы частот (ярким примером этому является спутниковые системы связи). Частотно-ограниченные каналы определяются как каналы с неравномерной амплитудно-частотной характеристикой, полоса пропускания которых рассчитывается, например, по уровню ослабления от её максимума на то или иное число дБ. Наряду с высоким уровнем наблюдаемых в них шумов и помех, такие каналы вносят значительные линейные искажения, вызывающие межсимвольную интерференцию. При высоких скоростях передачи дискретных сообщений нескомпенсированная межсимвольная помеха становится доминирующим фактором, снижающим достоверность передачи информации. Поэтому для высокоскоростных СПДС коррекция линейных искажений, с целью устранения межсимвольных искажений, является задачей первостепенной важности.
В значительной мере методы борьбы с межсимвольной и межканальной интерференцией (МСИ) исследованы в трудах зарубежных ученых: Найквиста К., Абенда К., Фритчмана Б.Д., Омуры Дж. К., Форни Д.Д., Андерсена Дж.Б., Фальконера Д.Д., Мэги Ф.Р., Кларка А.П., Зельца Дж., Боккера П., Прокиса Дж., Миллера Дж., Бельфи- оре К.А., Парка Дж.Х., Мунсена П., а также в работах отечественных ученых: Зюко А.А., Кловского Д.Д., Тамма Ю.А., Киселя В.А., Штейна В.М., Маригодова В.К., Кириллова Н.Е., Овсиевича И.А., Пинскера М.С., Николаева Б.И., Широкова С.М., Михайлова А.В., Карташевского В.Г., Макарова С.Б., Цикина И.А., Нудельмана П.Я., Орхов- ского Р.И., Краузе К.М., Коробкова Д.Л., Клюева В.И. и других ученых.
Для повышения эффективности и помехозащищенности СПДС в условиях МСИ применяются различные методы оптимизации как передатчиков, в частности модуляторов, так и приемников или демодуляторов (модемов).
Исторически сложилось так, что основное внимание при решении этих задач уделялось направлению, связанному с оптимизацией приема стандартных сигналов. Так, известно много способов коррекции на приеме линейных искажений, вносимых каналом связи из-за неидеальности его передаточной функции. При известных характеристиках канала линейный корректор, частично подавляя межсимвольную помеху, в общем случае приводит к значительному усилению шума (уменьшению отношения сигнал/шум) и может оказаться непригодным алгоритмом обработки принимаемого сигнала в шумах. В этих условиях для оптимизации СПДС применяют не поэлементный прием, но прием в целом на основе метода максимального правдоподобия, реализуемого с помощью того или иного алгоритма Витерби. Однако упрощенные варианты детекторов типа Витерби представляют собой достаточно громоздкие нелинейные устройства, а оценки их помехоустойчивости являются приближенными.
Вопросам другого направления, связанным с формированием сигналов на передаче (в модуляторе СПДС) с целью коррекции МСИ, в литературе уделено значительно меньшее внимание. Оптимизацией формы передаваемых сигналов занимались различные специалисты в области радиотехники, радиолокации, техники связи и управления. Однако многие из них не затрагивали вопросы построения оптимальных финитных во времени сигналов, не вызывающих МСИ в каналах с памятью и обеспечивающих экстремум выбранному показателю качества их приема. Мало уделялось внимания исследованию свойств передаваемых сигналов, согласованных с каналом связи, анализу помехоустойчивости приема таких сигналов и оценке потенциальной помехоустойчивости СПДС в целом. Это вызвано тем, что часто характеристики канала априори неизвестны а, во многих случаях, они изменяются во времени.
Прорывом в реализации методов и первого и второго направлений явилось создание так называемых адаптивных модемов с широким спектром интеллектуальных возможностей, позволяющих пользователю или прикладному процессу полностью управлять характеристиками передающего и приемного модемов и параметрами связи (примером служит модем V.34). В этом случае модуляторы и демодуляторы СПДС проектируются так, чтобы приспосабливаться к меняющимся характеристикам канала, и адаптироваться к этому изменению.
В современных модемах предусматривается амплитудно-фазовая предкоррекция сигнала передатчика для уменьшения МСИ. Предыскажения на передающей стороне вводятся с помощью цифрового фильтра, параметры которого передаются от удаленного модема по каналу обратной связи на этапе вхождения в связь. За счет этого существенно облегчается работа адаптивного корректора на приемной стороне. Процедура вхождения в связь состоит из нескольких фаз, на одной из которых по тестовому сигналу производится классификация канала связи. Приемник удаленного модема, принимая этот сигнал, рассчитывает частотную характеристику канала связи, степень искажений, сдвиг частот и ряд других характеристик канала. Такая же процедура выполняется и в противоположном направлении. Далее оба модема обмениваются этими установками.
Несмотря на наличие ряда работ, затрагивающих вопросы повышения эффективности СПДС путем оптимизации, как системы сигналов, так и методов их оптимального приема, проблема высокоскоростной передачи дискретных сообщений по частотно- ограниченным каналам связи в условиях действия шумов и межсимвольных искажений не является полностью решенной и требует дальнейшего исследования.
Таким образом, с учетом интеллектуальных возможностей современных модемов, а также того, что известные методы передачи дискретных сообщений не в полной мере учитывают возможности дополнительного повышения эффективности СПДС за счет согласования передаваемых сигналов с характеристиками каналов связи, актуальной является задача разработки и исследования новых методов формирования сигналов на передаче, реализующих полное или значительное подавление межсимвольной интерференции, и использование оптимального поэлементного их приёма.
Результаты исследования соответствуют пунктам: 1 - «Исследование новых физических процессов и явлений, позволяющих повысить эффективность работы сетей, систем и устройств телекоммуникаций», 2 - «Исследование процессов генерации, представления, передачи, хранения и отображения аналоговой, цифровой, видео-, аудио- и мультимедиа информации; разработка рекомендаций по совершенствованию и созданию новых соответствующих алгоритмов и процедур», 8 - «Исследование и разработка новых сигналов, модемов, кодеков, мультиплексоров и селекторов, обеспечивающих высокую надежность обмена информацией в условиях воздействия внешних и внутренних помех» паспорта научной специальности 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций.
Объект исследования. В диссертационной работе в качестве объекта исследования рассматривается формозадающий фильтр модели системы передачи дискретных сообщений.
Предмет исследования. В качестве предмета исследования рассматривается метод формирования оптимального финитного во времени сигнала (ОФС), не вызывающего межсимвольной интерференции на выходе частотно-ограниченного канала связи СПДС.
Цель работы и задачи исследования - разработка и исследование методов оптимального и субоптимального формирования и приема финитных во времени сигналов, не вызывающих межсимвольной интерференции на выходе шумового частотно- ограниченного канала связи, и позволяющих повысить помехоустойчивость и эффективность современных систем передачи дискретных сообщений.
Для достижения поставленной цели на основе анализа состояния вопроса сформулированы и решаются следующие основные задачи:
Анализ предельной эффективности передачи финитных во времени сигналов в условиях межсимвольной интерференции.
Исследование общих условий для решения проблемы полного подавления межсимвольных помех, а не только в отсчетных точках временной оси, на основе анализа частотно-временных характеристик линейного канала связи.
Синтез финитных во времени сигналов, согласованных с частотно-временными характеристиками канала связи и не вызывающих межсимвольной интерференции, на основе решения вариационных задач на условный экстремум.
Расчет и анализ частотно-энергетических характеристик оптимальных финитных сигналов, согласованных с моделями реальных каналов связи.
Исследование потенциальной помехоустойчивости системы передачи оптимальных финитных сигналов при различных схемах оптимального их приема.
Сравнительная оценка эффективности систем передачи дискретных сообщений в условиях наличия и отсутствия межсимвольной интерференции в частотно - ограниченном канале связи.
Проведение моделирования упрощенной системы передачи двоичных сообщений, основанного на разработанных оптимальных финитных сигналах.
Методы исследований - методы теории сигналов и систем; системный анализ; вариационные методы решения экстремальных задач; методы синтеза оптимальных сигналов; методы теории оптимального приема сигналов; методы оценки помехоустойчивости и эффективности систем передачи дискретных сообщений; математическое и машинное моделирование сигналов и устройств их обработки.
Научная новизна работы
Разработана методика формирования в формозадающем фильтре СПДС оптимальных финитных во времени сигналов (ОФС), не вызывающих межсимвольной интерференции на выходе частотно-ограниченного канала связи, основанная на решении вариационной задачи с ограничениями.
На основе разработанной методики синтезированы оптимальные по критерию максимума отношения сигнал/шум, финитные во времени сигналы, согласованные с различными моделями частотно-ограниченного канала связи.
Разработан метод расчета показателей потенциальной помехоустойчивости и эффективности СПДС при передаче ОФС и оптимальном их поэлементном приеме, не требующий по сравнению с известными методами сложного приема в целом.
Создано программное обеспечение, реализующее алгоритмы формирования, передачи и оптимального приема ОФС в СПДС с частотно-ограниченным каналом связи.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
Результаты анализа предельной эффективности передачи финитных во времени сигналов в условиях межсимвольной интерференции.
Алгоритмы синтеза оптимальных финитных во времени сигналов не вызывающих межсимвольной интерференции на выходе канала связи с памятью.
Результаты расчета частотно-энергетических характеристик оптимальных финитных сигналов, согласованных с моделями реальных каналов связи.
Результаты расчета потенциальной помехоустойчивости и эффективности системы передачи оптимальных финитных сигналов при различных схемах оптимального и субоптимального их приема.
Практическая значимость работы
В работе показано, что использование в СПДС ОФС, по сравнению с сигналами ДФМ, при изменении относительной скорости передачи от 0 до 1 обеспечивает выигрыш в ОСШ от 16,902 дБ до 4.609 дБ. Для различных моделей каналов при вероятности ошибки pe = 10 ~4 и увеличении ОСШ на 6 дБ минимальный выигрыш по спектральной
эффективности составляет более 1,5 раза (более 50%).
Результаты выполненных исследований получены путем машинного моделирования на ПЭВМ в среде компьютерной системы проведения математических вычислений - MatLAB. Они могут быть положены в основу разработки конкретных систем высокоскоростной передачи дискретных сообщений по частотно-ограниченным каналам проводной, гидроакустической и спутниковой связи. В, частности, они могут быть использованы при создании новых интеллектуальных модемов в цифровой телефонии.
Изложенные в работе алгоритмы синтеза оптимальных финитных сигналов и методы их субоптимального и оптимального приема были использованы при проведении научно-исследовательской работы: «Разработка и исследование методов объективной оценки качества обработки и передачи речевых сигналов в телекоммуникационных системах», шифр «АСПЕКТ-МТУСИ». Созданные программные средства и методики используются также в научно-исследовательской деятельности ЗАО «МирТелеКом имени Э.К. Первышина» при разработке и организации доступа абонентов к услугам местной, междугородной и международной связи на базе волоконно-оптических линий связи и фиксированного радиодоступа.
Достоверность полученных результатов обусловлена адекватностью моделей применительно к системам передачи дискретных сообщений, корректностью математических выкладок, согласованием результатов теоретического анализа с данными вычислительного эксперимента, которые подтверждают непротиворечивость основных теоретических результатов и выводов, положительными результатами внедрения.
Личный вклад соискателя. Все разделы диссертационной работы выполнены лично автором и опубликованы в соавторстве с научным руководителем В.Г. Саннико- вым. В совместных работах научному руководителю принадлежат постановки задач, определение направлений исследований и анализ полученных результатов. Изложенные в диссертационной работе результаты расчетов и исследований, их анализ и интерпретация осуществлены либо автором лично, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ, Москва 1993, 1994, 1996^1999 г. Пятая, шестая и седьмая Межрегиональные конференции: "Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи", 1995,1996 и 1997 годы. Московская СНТК «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве» МЭИ(ТУ), 1997. Восьмая Международная конференция. Серия: "Цифровая обработка сигналов и её применение ", РНТОРЭС им А.С. Попова, 2006 г. Международные научно-практические конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» INTERMATIC-2004, INTERMATIC-2010, INTERMATIC-2011, Москва, 2004,2010,2011 г.
Публикации результатов. Основные положения диссертационной работы изложены в шестнадцати печатных работах. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Работа включает: введение, четыре главы, заключение, список использованных источников; изложена на 141 страницах машинописного текста, включая 37 рисунков и 5 таблиц. Список использованных источников включает 101 наименование.
