Введение к работе
Актуальность темы. Работа направлена на исследование возможностей использования различных форм избыточности в современных системах передачи информации с целью устранения мешающих воздействий внешнего и внутреннего происхождения, и разработкой соответствующих методов.
Развитие систем передачи сигналов по радиоканалам в настоящее время характеризуется двумя антагонистическими факторами. Один из них -рост количества радиоизлучающих средств, появление и быстрое развитие современных систем, таких, как мобильная связь, спутниковая связь, новые системы радионавигации и т.д. Также растет количество источников излучения от оборудования промышленности и транспорта. Другой фактор заключается в том, что требования на качественные показатели систем передачи разнообразной информации, в том числе оказывающих услуги связи, непрерывно ужесточаются.
Это ставит важную .научную и практическую задачу разработки новых методов и средств для обеспечения требуемых качественных показателей в условиях усложнения электромагнитной обстановки.
Повышению помехоустойчивости передачи информации в различных условиях работы всегда уделялось большое внимание в работах отечественных и зарубежных ученых, таких, как К. Шеннон, Г. Ван-Трис, Р. Фано, Б. Уидроу, И.С. Андронов, Л.М. Финк, Н.Т. Петрович, В.И. Тихонов и многих других. Однако в современной обстановке эффективность многих методов оказывается недостаточной Эти методы разрабатывались для работы в условиях мешающего воздействия внутриаппаратурных шумов в основном теплового происхождения, а также для каналов передачи с нестационарными параметрами, и в различных формах используют избыточность, вносимую в сигнал. При этом под избыточностью понимается избыток ресурсов в параметрах сигнала (в частотной, временной и других областях) по сравнению с параметрами исходного информационного сообщения, который необходим для передачи с качественными показателями, определяемыми соответствующими нормами.
Однако, наряду с эффективной работой в условиях воздействия вігут-решіих шумов, при воздействии внешних помех имеющиеся ресурсы используются недостаточно эффективно, особенно в условиях ограниченной априорной информации о помеховой обстановке.
Кроме того, собственно системы передачи информации, как разрабатываемые, так и уже функционирующие, для борьбы с нестационарностью канала передачи (замираниями) часто вносят свою избыточность (например, в форме разнесенного приема, либо избыточность по уровню излучаемой мощности, и др.). При этом общие ресурсы избыточности информационного сигнала и системы передачи при их совместном использовании предоставляют широкие дополнительные возможности для повышения устойчивости к
мешающим сигналам, образуемым одновременным воздействием внутренних шумов и внешних помех.
Таким образом, существует актуальная научно-практическая проблема повышения устойчивости систем передачи информации к современным сложным ухудшающимся условиям помеховой обстановки при ужесточающихся требованиях на качество передачи, и, одновременно, имеются возможности ее повышения на основе комплексного совместного использования ресурсов избыточности сигналов и систем передачи.
Предметом исследования в работе являются такие системы передачи и сигналы, избыточность ресурсов которых может рассматриваться, как общий ресурс, и пути использования этого ресурса. На основе этого разработаны различные методы повышения устойчивости к мешающим воздействиям в разнообразных условиях помеховой обстановки.
Цель исследований. Целью диссертации является разработка и исследование методов использования общей избыточности в системах передачи информации для повышения устойчивости к внешним помехам и искажениям в разнообразной помеховой обстановке.
Объекты исследования:
Пути и формы реализации ресурса избыточности сигналов с учетом избыточности, вносимой системой передачи, и модели воздействия внешних помех и искажений на показатели избыточности.
Методы и алгоритмы обработки сигналов при различных условиях помеховой обстановки с использованием различных форм общей избыточности сигналов.
Возможности использования избыточности при обработке сигналов в условиях априорной неопределенности Параметров помеховой обстановки и пути их реализации.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Разработкой моделей воздействия помех и искажений на различные показатели избыточности.
Разработкой методов обработки сигналов и исследованием их свойств для характерных условий помеховой обстановки, включая априорную неопределенность сведений о ее параметрах
Разработкой методов и исследованием их характеристик при совместном использовании различных форм избыточности сигналов.
Методы исследований. Работа основывается на теоретических и экспериментальных исследованиях, а также на моделировании с использованием ЭВМ. Теоретические исследования проводились с применением различных математических методов, включая теорию матриц, методов вариацион-
ного исчисления и др. Экспериментальные исследования проводились при лабораторных испытаниях на базе ВлГУ и трассовых испытаниях на тропосферных линиях связи.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Для рассмотрения воздействия мешающих сигналов на систему связи
предложено:
- общую избыточность, реализуемую в передаваемом сигнале и в системе
передачи, рассматривать, как взаимодействие четырех возможных форм из
быточности (разнесение,- избыточность по уровню, частотная и временная
избыточность) с возможностью обмена ресурсом между различными фор
мами;
- рассматривать совокупное воздействие внешних помех и искажений, как
снижение показателей избыточности отдельно по разным ее формам.
В системах, использующих избыточность полосы частот тракта обработки сигналов, для борьбы с узкополосными и импульсными помехами исследованы пути и предложены методы применения частичного разнесения и взаимообмена ресурсом между частотной и временной формами избыточности.
В системах с разнесением и разной степенью коррелированности помехо-вых сигналов исследованы возможности квазиоптимальных методов объединения сигналов.
Предложен и обоснован модифицированный минимаксный критерий оценки работы систем в условиях априорной неопределенности параметров помеховой обстановки. Исследованы его свойства и методы реализации.
Предложен и исследован метод использования избыточности в форме дробной кратности разнесения.
Исследованы возможности использования избыточности по уровню и предложены методы ее применения.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Предложена методика раздельного учета влияния мешающих воздействий на разные формы общей избыточности сигнала и системы передачи.
Разработаны методы использования избыточности полосы частот тракта обработки сигналов для работы в условиях узкополосных и импульсных помех на основе частичного разнесения и на основе обмена ресурсами и исследована работа устройств на их основе.
Для условий различной степени коррелированности между мешающими составляющими разнесенных сигналов предложены квазиоптимальные методы обработки. Экспериментальные исследования метода компенсации помех показали возможность подавления импульсных помех на 10-25 дБ.
Для уменьшения уровня широкополосной помехи предложен и исследован комбинированный временно-фазовый метод обработки сигналов.
Для условий априорной неопределенности с использованием модифицированного минимаксного критерия синтезирован и исследован алгебраический метод измерения параметров. Предложен метод обработки с использованием энтропийных свойств сигналов и исследованы его характеристики.
Предложены и разработаны метод использования дробной кратности разнесения и обобщенный метод комбинирования разнесенных сигналов, структуры, их реализующие и исследованы их характеристики.
Разработан метод использования избыточности по уровню, применение которого эквивалентно увеличению входного отношения «сигнал/шум» на 4-9 дБ и исследованы квазиоптимальные схемы его реализации.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается использованием апробированного математического аппарата в теоретических исследованиях, моделированием на ЭВМ, совпадением теоретических выводов с результатами лабораторных и трассовых испытаний устройств, реализующих предложенные методы.
Результаты исследования внедрены в организациях:
Теоретические результаты, полученные в работе, используются в учебном процессе на кафедре радиотехники и радиосистем Владимирского государственного университета.
Устройства, реализующие предложенные в диссертационной работе методы, применяются в Институте теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН.
Результаты диссертационной работы внедрены в НИР «Веер», выполненную в Отраслевой лаборатории МПСС СССР.
4 Предложенные методы внедрены при изготовлении опытных образцов аппаратуры «Эшелон» и «Эшелон-Д» в Московском научно-исследовательском радиотехническом институте, г. Москва.
Результаты исследования использованы в научно-исследовательских работах, выполнявшихся в ГосНИИРадио, г. Москва.
Практические результаты работы внедрены на ОАО «Владимирский завод Электроприбор», г. Владимир.
Результаты работы использованы при разработке радиоаппаратуры на ФГУП ВПО «Точмаш», г. Владимир.
Положения, выносимые на защиту:
1. Способы учета воздействия помех и искажений на показатели общей избыточности сигналов и систем связи.
2 Методы обработки сигналов на основе избыточности в полосе частот тракта обработки сигналов.
3. Методы использования избыточности при различной степени коррелиро-ванности мешающих воздействий.
Пути применения избыточности в условиях априорной неопределенности помеховой обстановки и методы их реализации.
Метоя основанный на дробной кратности разнесения.
Метод использования избыточности по уровню сигнала.
Пути реализации методов и результаты исследования их эффективности.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на I-VI Мелсдународных НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации», (1995-2004 г.), Владимир-Суздаль; на Ш-Vl МНТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», (1998-2004 г.), Владимир-Суздаль; на 8, 12 и 13 Межрегиональных НТК «Обработка сигналов в системах телевизионной связи и вещания», (1998, 2003, 2004 гг.), Москва-Пушкинские горы; на Международной НПК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2004», Москва; на International Symposium «High-Power Laser Ablation 2002», New Mexico, USA (стендовый доклад); на Национальном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии», (1999 г.), Москва - Санкт-Петербург; на Международном форуме информатизации «МФИ-98», (1998 г.), Москва; на Всесоюзной НТК «Радио и связь», (1981, 1984 и 1989 гг.), Москва.
Личное участие. Выносимые на защиту методы предложены автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ, проводимых в качестве исполнителя и ответственного исполнителя на кафедре радиотехники и радиосистем Владимирского государственного университета в период с 1975 г. по 2007 г. В научных работах лично автором предложены основные идеи методов, проведено их теоретическое обоснование, выполнено исследование свойств и характеристик, намечены пути применения. Практическая реализация методов и экспериментальные исследования проводились коллективом специалистов при личном участии автора.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликована 61 научная работа, в том числе монография, учебное пособие, 26 статей (из них 22 в центральной печати, включая 12 статей в журналах из перечня ВАК для докторских диссертаций и 4 публикации в зарубежных изданиях), 17 публикаций в трудах и материалах международных и всероссийских конференций, получены 16 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения и содержит 223 страницы основного текста, 107 рисунков и 3 таблицы, список литературы из 201 наименования и приложения на 45 страницах.
