Анализ и многокритериальный выбор узкополосных сигналов в системах передачи данных Жильцов, Павел Викторович

Введение к работе

Актуальность темы

В последние десятилетия в мировой радиоэлектронике происходит бурное развитие элементной базы и схемотехнических решений приёмо-передающего радиотехнического оборудования. С учётом развития цифровых стандартов и протоколов связи это приводит к появлению новых систем связи и систем передачи данных (СПД) различного назначения, каналом связи которых является радиотракт. При этом на первое место выходит проблема повышения эффективности таких систем в условиях сильного уплотнения радиоспектра.

Процесс совершенствования элементной базы приемо-передающей аппаратуры позволяет осваивать всё более высокие частоты радиодиапазона (единицы - десятки ГГц). Это, в свою очередь, позволяет размещать в этом диапазоне множество передающих систем. Но реализация систем на таких высоких частотах пока дороже, чем на уже освоенных диапазонах (примерно до 2 ГГц).

Построение системы передачи данных в условиях сильного уплотнения радиочастотного спектра другими системами заставляет обратить пристальное внимание на класс узкополосных сигналов (видов модуляций), используемых для передачи данных по радиоканалу. Спектр таких сигналов наиболее компактен или, другими словами, их спектральная эффективность наиболее высока. Особого внимания заслуживают специализированные системы, в которых решающую роль при выборе сигнала могут играть другие факторы, например, устойчивость к импульсным помехам или высокая надёжность передачи данных. Такими системами, к примеру, могут быть СПД, работающие в условиях значительных индустриальных помех.

Узкополосным считается сигнал, для которого выполняется следующее условие: П/ю₀<<1, где П - ширина полосы спектра сигнала, а ю₀ - его средняя или несущая частота. Обычно основная мощность таких сигналов (90-99%) сосредоточена в пределах их спектральной полосы шириной (2-4)/T_S, где T_s - длительность символьного интервала. К таким сигналам можно отнести следующие классы сигналов: класс амплитудно- манипулированных (АМ) сигналов; класс фазоманипулированных (ФМ) сигналов; класс частотно-манипулированных (ЧМ) сигналов; класс сигналов с непрерывной фазой (СНФ); класс сигналов со смешанной амплитудно-фазовой модуляцией (КАМ); класс сигналов со многими поднесущими (СМП). Поскольку сигналы из указанных классов обладают различными, часто противоположными свойствами, то задача выбора сигнала сложна и не всегда решается объективно.

Широкополосные сигналы занимают на порядки большую полосу частот и обычно образуются из узкополосных сигналов, которые затем модулируются вторично цифровой последовательностью с высокой скоростью в соответствии с выбранным методом.

Существует также особый класс сигналов с широкой полосой, к которым, в частности, относятся шумоподобные и сверхширокополосные сигналы. Они обладают определенными преимуществами перед узкополосными сигналами. Однако именно широкая полоса спектра излучаемого сигнала является принципиальным препятствием для построения множества систем связи, так как радиодиапазон не безграничен.

Особо стоит отметить существенное повышение производительности вычислительных систем в последние годы. Это позволяет во многих случаях заменить сложные аналитические расчёты режимов работы систем и их различных параметров на численное моделирование, анализ результатов которого позволяет, как правило, кроме естественного сокращения временных трудозатрат повысить эффективность работы систем передачи данных. Чем шире круг вопросов, охватываемых моделированием, тем больше эффективность и точность расчётов параметров будущей системы, так как в модель возможно закладывать различные влияющие факторы.

Цели и задачи диссертации

Цель диссертационной работы состоит:

1. В разработке эффективной методики многокритериального сравнения сигналов по их различным характеристикам и выборе оптимального (наилучшего) сигнала при заданных требованиях построения СПД.

2. В разработке эффективного инструмента в виде численной имитационной модели СПД для получения оценки помехоустойчивости приёма сигналов при одновременном воздействии различных факторов.

Л \ т-ч U U U kj

3. В исследовании свойств сигналов с двойной модуляцией и в определении оптимального сигнала для разработанной на кафедре Радиоприёмных устройств «НИУ «МЭИ» малогабаритной системы сбора, приёма и обработки данных (МСПОД).

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

3. 1. Исследовать и произвести выбор сигналов с различными способами модуляции для последующего сравнения, которые являются типичными представителями из каждого класса.

   2. Определить основные воздействующие на сигнал факторы, приводящие к ухудшению помехоустойчивости приёма.

   3. Разработать численную имитационную модель прохождения сигналов через приёмопередающие тракты аппаратуры связи и канал связи, которая учитывает данные воздействия.

   4. Сформулировать ряд показателей качества (ПК) сигналов и получить их количественные оценки при помощи численной имитационной модели.

   5. Определить модель многокритериального выбора и разработать его методику.

   6. Выявить оптимальные сигналы с цифровыми методами модуляции по рассмотренным ПК на примере нескольких типовых задач построения СПД.

   7. Рассмотреть пример применения разработанной имитационной модели как эффективного инструмента для получения количественной оценки помехоустойчивости приёма сигналов при одновременном воздействии различных неблагоприятных факторов.

   8. Исследовать свойства сигналов с двойной модуляцией и определить их основные преимущества.

   9. Выбрать сигнал с повышенной помехоустойчивостью приёма для локальной СПД на примере системы МСПОД.

   Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы, известные из теории цепей и сигналов, общей теории радиосвязи, теории вероятностей, численного компьютерного моделирования, теории спектрального анализа, вычислительной математики, теории случайных процессов и математической статистики, многокритериального выбора.

   Научная новизна работы. В диссертации получены следующие новые результаты:

   3. 9. 1. Разработаны алгоритмы и создан комплект программ имитационной модели типовой СПД. Данный комплект является эффективным инструментом, который впервые позволил оценить одновременное влияние ряда факторов на вероятность ошибочного приёма.

         2. Разработана эффективная методика сравнения сигналов с различными способами модуляции по их различным свойствам (показателям качества) и при наличии нескольких правил сравнения (многокритериальность) - на основе адаптивной комбинированной SnL- постановки. Впервые теория многокритериального выбора использована для решения задачи определения наиболее подходящего способа модуляции сигнала при проектировании СПД с заданными характеристиками.

         3. Выявлены основные отличия сигналов с двойным (цифро-аналоговым) способом модуляции от сигналов с одиночным (цифровым) способом модуляции, определены области их применений. Разработаны рекомендации.

         Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием принятых и обоснованных теоретических методов, а также достаточным соответствием количественных результатов по помехоустойчивости приёма большинства рассматриваемых сигналов в условиях воздействия аддитивного белого гауссовского шума, полученных при помощи имитационного моделирования и приведённых в опубликованных аналитических расчётах таких известных учёных и специалистов как Скляр Б., Прокис Дж., Феер К., Волков Н. и др.

         Практическая ценность работы. Практические результаты диссертационной работы могут быть использованы для оценки помехоустойчивости приёма сигналов в условиях интенсивных импульсных и селективных помех, а также для учёта других негативных воздействующих факторов в локальных СПД.

         Использование результатов диссертационной работы на этапе проектирования СПД позволяет обоснованно выбрать сигнал с цифровым законом модуляции при одновременном учёте основных воздействующих на процесс передачи факторов, что практически неосуществимо аналитическим путём ввиду его высокой сложности.

         В диссертации разработан и обсуждается банк сигналов с современными видами цифровой модуляции (для модуляторов и демодуляторов).

         Использование результатов работы. Результаты диссертационной работы вошли в два госбюджетных НИР, выполненных на кафедре Радиоприёмных устройств ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», а также использованы в виде рекомендаций для улучшения характеристик диагностического беспроводного информационно-измерительного комплекса ООО НПЦ «Элемент» и в учебном процессе кафедры Радиоприёмных устройств «НИУ «МЭИ», что подтверждается соответствующими Актами.

         Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 2-й международной научной конференции «Современные информационные системы. Проблемы и тенденции развития» (Туапсе, 2007 г.), X международной научно-практической конференции компании National Instruments (Москва, 2011 г.), 62-й Научной сессии РНТОРЭС, посвященной Дню радио (Москва, 2007 г.); Одиннадцатой и Двенадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2005 г и 2006 г.).

         Публикации. Общее число печатных работ по теме диссертации - 9, из них: статей - 3 (в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ); тезисов докладов на научно-технических конференциях - 6.

         Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трёх приложений общим объёмом 233 страницы. Основная часть работы содержит 165 страниц машинописного текста, 74 рисунка и 12 таблиц. Список литературы содержит 75 наименований.

         Основные положения, выносимые на защиту

         3. 9. 3. 1. Алгоритмы формирования и обработки современных сигналов с узкополосным спектром.

                  2. Структура и алгоритмы компьютерной имитационной модели типовой СПД, отражающей прохождение сигналов через приёмо-передающие тракты радиоаппаратуры и через канал связи СПД и позволяющей оценивать вероятность ошибочного приёма при различных значениях воздействующих факторов.

                  3. Методика определения оптимального сигнала и упорядочивания рассматриваемых сигналов по убыванию соответствия задаче для заданных условий построения систем передачи данных при одновременном воздействии ряда влияющих факторов, основанная на адаптивной процедуре многокритериального выбора.

                  4. Решение задачи определения оптимального сигнала на примере трёх типовых задач построения СПД.
                     

                  Похожие диссертации на Анализ и многокритериальный выбор узкополосных сигналов в системах передачи данных

                  Повышение помехоустойчивости приемных устройств волоконно-оптических систем передачи телевизионных сигналовТарченко, Надежда Владимировна

                  

                  Алгоритмы оценки временного положения сигналов в радиотехнических системах передачи данных при наличии мешающих отражений и помех с неизвестными параметрамиПавлов, Александр Сергеевич

                  

                  Разработка методов и устройства контроля качества передачи видеоинформационных сигналов в системах цифрового телевидения Ульянкин Сергей Викторович

                  Исследование и разработка методов передачи сигнала в высокоинформативных телевизионных системахЗенин, Алексей Алексеевич

                  Разработка и исследование метода адаптивной коррекции сигналов для повышения помехоустойчивости цифровых систем передачи информацииМатвеев, Юрий Валентинович

                  

                  Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки оптических сигналов в адаптивных фазосопряженных малопараметрических системах передачи информацииРешетникова Ирина Витальевна

                  

                  Исследование энергетических характеристик радиотехнических систем передачи-приема сверхширокополосных и сверхкороткоимпульсных сигналов и помех Авдеева Дарья Владимировна

                  Повышение эффективности модемов систем передачи данных путем оптимизации устройств цифровой обработки сигналов на основе использования имитационных моделейЧернов, Виталий Владимирович

                  

                  Повышение помехоустойчивости радиотехнических систем передачи информации с использованием сверточных алгоритмов обработки сигналовСиницин Дмитрий Вячеславович

                  

                  Методы использования избыточности сигналов для борьбы с помехами и шумом в системах передачи информацииПолушин Петр Алексеевич