Введение к работе
- з -
Состояние вопроса и актуальность темы. В настоящее время в связи с ростом объема информации, необходимой для нормального функционирования отраслей хозяйства и-управления.'государственными структурами,значительно повышается роль связи, обеспечивающей обмен информацией мелщу отдельными объектами, предприятиями,' фирмами и различными странами.
Однако ресурсы хозяйства связи любой страны ограничены. Один из основных факторов этого ограничения - это количество введенных в эксплуатацию и действующих в настоящее время как внутригосударственных, так и межгосударственных каналов связи. Так как'любой канал связи имеет вполне определенную пропускную способность, то при наличии ограниченного числа каналов отрасль связи каздой страны может обрабатывать вполне определенные массивы информации. Для увеличения массивов информации'или создания резервов по пропускной способности информационной сети страны необходимо вкладывать значительные материальные ресурсы в проектирование, строительство и эксплуатацию новых каналов связи. Материальные возможности также обычно ограничены, а в развивающихся странах в эксплуатации находятся в настоящее время старые и морально устаревшие системы связи с низкой пропускной способностью, поэтому для решения новых государственных задач по управлению и обслуживанию населения необходима модернизация или полная замена старого оборудования, что в короткие сроки просто невозможно.
Так, в Сирийской Арабской Республике в настоящее время в государственной информационной сети связи эксплуатируются система связи, установленные до завоевания независимости страны. Вво-
- 4 -дятся в эксплуатацию также и современные системы овязи, однако процеос этот длительный и не позволяет отказаться от эксплуатации устаревших сетей связи.
В связи с изложенным возникает задача решения проблемы обмена значительных объемов информации между объектами управления и обслуживания населения при ограниченных ресурсах пропускной . споообнооти существующих каналов связи. Эта задача может быть решена лишь на пути максимального повышения эффективности использования пропускной способности действующих каналов связи.
Пропускная способность действующих в настоящее время каналов связи практически 'попользуется лишь на .15 - 20 от теоретически предала Шеннона по пропуокной способности канала связи. Так, для стандартного телефонного канала связи пропускная способность канала по Шеннону при отношении сигнал-шум по мощности в канале, равном 30 дБ,, составляет порядка 30 000 дв.ед/с, в то время как стандартные скорооти передачи дискретных сообщений по телефонному каналу составляют 1200 -9600 дв.ед/о. Таким образом,"запас" по пропускной способности телефонного канала равен примерно от 20 до 3G раз. Указанные возможности значительного увеличения реальной скорости передачи информации существует л для других типов каналов связи.
В теории связи существует количественная мера эффективности использования полосы чаотот канала связи - отношение скорости передачи информации к полосе частот пропускания каналов, Для идеального низкочастотного канала теоретическим пределом окоро-ста передачи сигналов является предел Найквиота, равный 2 бод/с, для передачи дискретных сообщений двоичныдасигналаш, что на практике также сложно реализовать. Таким образом, современные высокоскоростные системы связи по эффективности использования полооы
частот канала связи достаточно далеки от теоретических пределов, полученных Найквиотом и Шенноном.
Основным препятствием повышения скорости передачи дискретных сообщений по каналам связи с ограниченной эффективной полосой частот пропускания является возникновение межсимвольной интерференции (МСИ) в канале связи при передаче сигналов, которая приводит к появлению межсимвольной помехи (МОП) на входе демодулятора приемника системы связи. При высоких скоростях передачи сообщений уровень МСП может значительно превышать уровень внешней помехи в канале связи и помехоустойчивость приема сигналов будет определяться в основном МСП. При заданной помехоустойчивости приема сигналов МСП ограничивает предельно допустимую скорость передачи сигналов в системе связи, которая, как правило, оказывается значительно меньше пропускной способности канала связи. В современной литературе по радиотехнике, радиолокации, теории связи и управления опубликовано много работ, посвященных методам борьбы о МСП, повышению эффективности использования пропускной способности каналов связи. Однако в большинстве из этих работ задачей исследования является борьба с МСП и уменьшение влияния этой помехи на качество приема сигналов, что ^IIpинципиaльнo не может дать результатов, позволяющих достаточно близко подойти к теоретическим пределам Найквиста и Шеннона.
В диссертационной работе разрабатываются и исследуются новые методы решения указанной проблемы.
Цель и заігачи диооетаапии. Целью диссертационной работы является разработка инженерного метода синтеза дискретных сигналов (сигналов дискретной амплитудной, частотной и фазовой модуляции), при использований которых в действующих системах связи о частотно-ограниченными каналами связи для передачи дискретных сооо*-
31*
- 6' -
щений принципиально не возникали бы межсимвольные и межканаль-ше помехи, а значит обеспечивалооь бы высокое качество приема этих сигналов и високая эффективность использования полосы частот канала связи.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
дать критический анализ существующих методов борьбы с межсимвольными помехами и наметить пути решения задачи полного устранения МСП на входе решапцего устройства приемника системы связи;
провести исследование свойств и условий полного устранения переходных процессов в канале связи с ограниченной полосой пропускания;
разработать методы синтеза и провести исследование свойств дискретных сигналов, исключающих возникновение МСП в частотно -ограниченных каналах связи;
исследовать статистическую устойчивость синтезированных дискретных сигналов с точки зрения уровня паразитной (аппаратурной) МСП, возникающей за счет аппаратурных погрешностей формирования формы дискретных сигналов;
провести сравнительный анализ помехоустойчивости приема традиционных дискретных сигналов и синтезированных дискретных сигналов, не вызывающих возникновения МСП в канале связи.
Дискретные сигналы, не вызывающие возникновения МСП в канале, в дальнейшем для краткости называются финитными сигналами Найквиста.
Основным научным результатом работы является разработанный и детально исследованный метод синтеза дискретных сигналов для высокоскоростной передачи сообщений в системах связи с частотно-
- 7 -ограниченными каналами связи при теоретически полном отсутствии межсимвольных помех.
Кроме того, получены следующие научные результаты:
разработана методика синтеза дискретных финитных сигналов Найквиста, не вызывающих МОЇ в канале, по стационарному отклику канала с наперед заданными свойствами;
разработан аналитический метод расчета статистических характеристик (среднего значения, энергетического спектра, корреляционной функции и дисперсии) мелюимвольных помех в канале связи;
исследованы вопросы статистической устойчивости синтезированных финитных сигналов Найквиста. Показаны преимущества этих сигналов по сравнению с традиционными сигналами;
произведен сравнительный анализ помехоустойчивости приема традиционных дискретных сигналов и финитных сигналов Найквиста;
разработаны программы на ЭЕМ для расчета формы финитных сигналов Найквиста.
Основная практическая ценность работы заключается в создании методики трансформации действующей малоэффективной системы связи для передачи дискретных сообщений в высокоскоростную систему связи при наличии высокого качества приема дискретных сигналов.
-. Кроме того, получены следующие результаты, имевдие практическую ценность:
даны рекомендации по степени практической точности реализации формы сигналов Найквиста, в пределах которой эти сигналы имеют значительные преимущества по помехоустойчивости перед традиционными сигналами;
созданы машинные программы для расчета формы финитных сигна-
- 8 -лов Найквиста для произвольных линейных каналов связи;
дана методика расчета формы ортогональных финитных сигналов Найквиста, применение которых позволяет удваивать скорость передачи информации в канале связи.
В диссертационной работе при проведении исследований были использованы математические методы:
теории линейных электрических цепей; теории линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами; теории рядов и интегралов Фурье и Лапласа;
теории вероятностей и математической статистики, теории
случайных процессов;
/ теории статистической радиотехники;
теории оптимальных методов приема дискретных сигналов на фоне аддитивной помехи;
вариационного исчисления;
вычислительной математики.
Основные результаты работы апробировались на научно-технических конференциях МИС, 1988 г., Всесоюзного научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова- 1990 г. Результаты работы внедрены в учебном процессе кафедры ТЭС МИС и :
будут использованы в Сирийской Арабской республике в учебном процессе на электромеханическом факультете в Университете ТШПЙШ".
В диссертации 186 страниц; 159 рукописей; I программа на 20 страницах; 28 иллюстраций; I таблица; список литературы на 4 страницах насчитывает 40 наименований."
Основные результаты, выносимые на зашиту. I. Условия полного устранения межсимволъных помех для множества дискретных сигналов,представлених в виде интеграла Лапласа,
- 9 — включающих как частный случай множество сигналов, представленных интегралом Фурье.
-
Условия на стационарный отклик канала, обеспечивающие формирование финитных сигналов Найквиста при полной компенсации МОП.
-
Метод синтеза сигналов Найквиста с программным обеспечением расчетов на ЭВМ.
-
Метод расчета статистических характеристик межсимвольных помех в линейных канала связи.
-
Методика сравнительного анализа помехоустойчивости приема традиционных дискретных сигналов и финитных сигналов Найквиста.
-
Практические рекомендации на точность формирования финитных сигналов Найквиста в передающем устройстве системы связи.
