Содержание к диссертации
Содержание 2
Перечень условных обозначений 5
Введение 8
1. Обзор реализаций МКВР 14
1.1. Канал KB радиосвязи . 14
1.1.1. Особенности распространения радиоволн в KB диапазоне 14
1.1.2. Методы моделирования канала KB радиосвязи. Модель Ваттерсона 19
1.1.3. Международные рекомендации, регламентирующие методы моделирования канала KB радиосвязи 23
1.2. Основные зарубежные стандарты и рекомендации в области цифровой KB радиосвязи 24
1.2.1. Федеральные стандарты США 24
1.2.2. Стандарты Министерства обороны США 25
1.2.3. Рекомендации ITU-R 25
1.3. Характеристики МКВР 25
1.3.1. Обзор зарубежных модемов 25
1.3.2. Обзор отечественных модемов 26
1.4. Постановка задачи исследования 26
1.4.1. Обоснование выбора системы сигналов МКВР 26
1.4.2. Требования, предъявляемые к МКВР 31
1.4.3. Обоснование выбора ЦПОС для реализации МКВР 34
1.4.4. Сложности реализации МКВР и пути их решения 34
1.4.5. Формулировка задачи на разработку МКВР 36
Выводы по первой главе 37
2. Алгоритм формирования и приема сигналов в параллельном МКВР 38
2.1. Обобщенный алгоритм функционирования передатчика МКВР 38
2.2. Обобщенный алгоритм функционирования приемника МКВР 41
2.2.1. Формирование АС и компенсация ЧС 42
2.2.2. Спектральный анализ 44
2.2.3. Статистическая обработка 46
2.3. Обобщенный алгоритм помехоустойчивого кодирования 52
2.4. Скремблирование информации в МКВР 56
2.5. Оценка эффективности функционирования МКВР. Эксплуатационная и реализационная эффективность 56
2.6. Постановка задачи оптимизации алгоритма функционирования МКВР на ЦПОС с ФТ 59
2.6.1. Декомпозиция задачи оптимизации алгоритма реализации МКВР 59
2.6.2. Постановка задачи понижения вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР 60
2.6.3. Постановка задачи повышения вычислительной точности алгоритма функционирования МКВР 61
Выводы по второй главе 62
3. Понижение вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР на ЦПОС с ФТ 63
3.1. Классификация задач оптимизации АФАС и ABC 63
3.2. Задача оптимизации АФАС 64
3.2.1. Требования к ФПГ 66
3.2.2. Расчет ФПГ с симметричными характеристиками 67
3.2.3. Децимация сигнала в АФАС 74
3.2.4. Анализ вычислительной сложности АФАС 75
3.2.5. Реализация блока компенсации частотного смещения в МКВР 76
3.3. Задача оптимизации ABC 78
3.3.1. Алгоритм работы блока спектрального анализа 78
3.3.2. Алгоритм вычисления 80-точечного БПФ 79
3.3.3. Скользящий Фурье анализ 85
3.3.4. Масштабирование сигнала при расчете спектра 86
3.3.5. Сравнительный анализ вычислительной сложности ABC различными путями 87
3.4. Оценка вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР 89
Выводы по третьей главе 90
4. Предложения по практической реализации алгоритма МКВР на ЦПОС 92
4.1. Обзор ЦПОС отечественных и зарубежных производителей 92
4.1.1. Texas Instruments 92
4.1.2. Analog Devices Inc (ADI) 95
4.1.3. Motorola 95
4.1.4. Отечественные производители 96
4.2. Повышение вычислительной точности алгоритма функционирования МКВР 98
4.3. Оценка реализационных и эксплуатационных характеристик предлагаемого МКВР 101
4.3.1. Модель KB канала 101
4.3.2. Оценка эффективности предлагаемого МКВР 102
4.3.3. Оценка затрат на производство МКВР 104
Выводы по четвертой главе 106
Заключение 107
Список литературы ПО
Приложение 1 Листинг программы вычисления АС 113
Приложение 2 Листинг программы вычисления спектра сигнала 115
Приложение 3 Графики помехоустойчивости разработанного МКВР 127
Приложение 4 Технические характеристики разработанного МКВР 129
Приложение 5 Акты о реализации 131
Введение к работе
За долгое время существования коротковолновой (KB) радиосвязи неоднократно высказывалось мнение, что другие виды связи превзойдут и даже вытеснят ее. Действительно, развитие волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), позволяющих передавать огромные объемы информации при больших длинах регенерационных участков (сети SDH), делает эффективным применение этой технологии на магистральных линиях связи. Совершенствование радиорелейных линий (РРЛ) связи и их сопряжение с сетями SDH позволяют увеличить надежность магистральных сетей. Проблема связи с малонаселенными территориями в труднопроходимой местности решается с помощью спутниковых систем связи. По этой причине удельный вес KB радиосвязи, в общем объеме передаваемой информации, становится незначительным.
Однако вопрос о ликвидации KB радиосвязи не ставится. В настоящее время значительно возрос интерес производителей средств связи к радиосистемам KB диапазона. Особенно важно данное направление для силовых министерств и ведомств: МО РФ, ФСБ, МЧС и др.
Радиосвязь в KB диапазоне позволяет предоставить мобильным абонентам цифровые каналы при использовании оборудования с небольшими массогабаритными и энергетическими характеристиками. В отличие от РРЛ и спутниковых сетей связи, которые служат альтернативным вариантом для обеспечения связи мобильным абонентам, KB радиосвязь не требует использования ретрансляторов (наземного и космического базирования).
Экономичность KB радиосвязи, по сравнению с РРЛ и спутниковой радиосвязью, объясняется тем, что РРЛ и спутниковая связь экономичны только при одновременной организации нескольких сотен или тысяч телефонных каналов. В этом случае оказывается сравнительно небольшой стоимость одного телефонного канала, определенная как результат деления общих капитальных и эксплуатационных расходов, затраченных на систему
связи, на число каналов. Поэтому в тех случаях, когда большого количества каналов не требуется, эффективно использовать KB радиосвязь. Это, в первую очередь, организация связи с труднодоступными регионами (например, горные и лесные массивы, тайга, Арктика); с геологическими партиями, с экспедициями при чрезвычайных ситуациях; в военных и силовых структурах и т.п.
К недостаткам KB радиосвязи следует отнести низкую пропускную способность (2400 - 4800 бит/с) цифровых каналов, реализуемых современными отечественными и зарубежными модемами KB радиосвязи (МКВР).
Увеличение объема передаваемых данных, ужесточение требований к достоверности передаваемой информации, уменьшение свободного частотного ресурса заставляет использовать каналы, ранее считавшиеся непригодными для своевременной и помехоустойчивой передачи данных. Использование модемов работающих в KB радиоканале представляет собой один из способов решения этой проблемы.
Сложный характер распространения радиоволн в KB канале вызывает необходимость использования сложных алгоритмов обработки сигнала в МКВР. Особый интерес представляет разработка сигнально-кодовых конструкций (СКК) согласующих работу кодера с модулятором и декодера с демодулятором. Применение эффективной СКК может существенно поднять помехоустойчивость модема.
Наше время характеризуется стремительным проникновением цифровой обработки сигналов (ЦОС) в области передачи, приема и обработки информации. Аппаратура передачи данных, телевидение, измерительная техника, радиовещание, высококачественное воспроизведение аудио и видео информации — это далеко не полный перечень, где применение ЦОС обеспечивает принципиально новое качество.
Развитие ЦОС неразрывно связано с совершенствованием элементной базы, позволяющей выполнять алгоритмы, требующие большой вычислительной мощности, например: фильтрация, вычисление дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и т.п. Вышеперечисленные алгоритмы могут быть эффективно реализованы на цифровых процессорах обработки сигналов (ЦПОС), называемых также сигнальными процессорами. Доминирующее положение ЦПОС в задачах ЦОС объясняется тем, что в них удалось совместить собственно ЦОС (обеспечивая высокую производительность и многофункциональность) с возможностью организовать разнообразный и удобный интерфейс для управления устройствами.
Данная работа направлена на создание высокоскоростного МКВР. В работе обосновывается выбор параллельного (многочастотного) алгоритма передачи сигналов. Также особенностью работы является выбор в качестве платформы для реализации МКВР ЦПОС с фиксированной точкой (ФТ). Обычно для решения подобных задач используются ЦПОС с плавающей точкой (ПТ), позволяющие получить более высокую точность представления сигнала параллельного МКВР, обладающего большим динамическим диапазоном (ДД).
Выбор ЦПОС с ФТ обусловлен производством отечественной промышленностью только таких типов ЦПОС, разрешенных для использования в силовых министерствах и ведомствах, а обработка сигнала с большим ДД в арифметике с ФТ представляет собой сложную задачу. Это вызвано следующим обстоятельством. При реализации алгоритма на ЦПОС возникают алгоритмические шумы: шум округления, шум усечения, шум переполнения н т.д. Уровень этих шумов определяется разрядностью процессора. При уменьшении амплитуды обрабатываемого сигнала отношение (сигнал)/(алгоритмический шум), в арифметике с ФТ, будет уменьшаться, что приведет к снижению помехоустойчивости модема.
Таким образом, тема и научная задача диссертационной работы, состоящая в разработке и оптимизации алгоритма функционирования МКВР, реализуемого на ЦПОС с ФТ представляется актуальной. Практическая значимость работы:
1. Разработан алгоритм функционирования МКВР в арифметике с ФТ.
2. Реализован МКВР на платформе ЦПОС TMS320C50. Научная значимость работы:
1. Предложен алгоритм быстрой синхронизации МКВР.
2. Разработан способ реализации треллис-кодирования (ТК) на ЦПОС с ФТ.
3. Предложена методика понижения вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР.
4. Разработана методика повышения вычислительной точности алгоритма функционирования МКВР на ЦПОС с ФТ.
Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:
1. Алгоритм формирования и приема сигналов в параллельном МКВР.
2. Методика понижения вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР.
3. Методика повышения вычислительной точности алгоритма функционирования МКВР.
Диссертационная работа включает введение, четыре раздела, заключение и приложения.
В первом разделе рассмотрены методы моделирования канала декаметровой радиосвязи, стандарты в области моделирования KB радиоканала, стандарты в области цифровой KB радиосвязи. Приведен обзор отечественных и зарубежных радиомодемов. Представлены требования к МКВР. Обоснован выбор структуры МКВР и тип сигнального процессора, на котором будет реализовываться МКВР.
Во втором разделе рассмотрен алгоритм формирования и приема сигналов в параллельном МКВР, алгоритм помехоустойчивого кодирования, алгоритм синхронизации по информационному сигналу. Поставлена задача оптимизации алгоритма функционирования МКВР. Произведена декомпозиция задачи оптимизации алгоритма работы МКВР. На первом этапе произведем оптимизацию МКВР по уменьшению вычислительной сложности, а на втором по повышению вычислительной точности.
В третьем разделе произведена классификация задач оптимизации алгоритма формирования аналитического сигнала (АФАС) и оптимизации алгоритма вычисления спектра (ABC). Рассмотрены этапы синтеза цифровых фильтров (ЦФ) с симметричными характеристиками. Синтезирован АФАС с децимацией сигнала на входе. Разработан алгоритм БПФ на 80 комплексных точек. Произведена оценка вычислительной сложности АФАС и ABC.
В четвертом разделе произведен обзор ЦПОС зарубежных и отечественных производителей. Рассмотрены особенности практической реализации алгоритма МКВР на ЦПОС. Проведено сравнение алгоритмов реализации МКВР на ЦПОС с ФТ (16-ти разрядная арифметика) и на ЦПОС с ПТ (32-х разрядная арифметика). Приведена оценка эффективности работы МКВР, используя модель KB канала.
Материалы диссертационной работы прошли апробацию на:
- 4-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва - 2002);
- 4-й Международной НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ «Техника и технология связи» (Алма-Аты - 2002);
- 5-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва - 2003);
- 55 НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича (СПб - 2001);
- 54 НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича (СПб — 2002);
58-й НТК СПб НТОРЭС им. А.С. Попова (СПб - 2003); Основные научные результаты изложены в 3-х научных статьях, 6-ти тезисах докладов на научно-технических конференциях, а также вошли в научный отчет по НИР.
Основные результаты диссертации реализованы в НПО «Импульс» (г. Санкт-Петербург), НПФ «СИАЛ» (г. Санкт-Петербург, акт о реализации от 12 мая 2003 г.).
Похожие диссертации на Разработка и реализация алгоритма функционирования модема коротковолновой радиосвязи на цифровом процессоре обработки сигналов с фиксированной точкой
