Введение к работе
Актуальность темы. Прошло чуть больше столетия с момента появления первых систем радиосвязи, изобретенных А.С. Поповым, Г. Маркони, Н. Теслой, Э. Бранли, О.Д. Лоджем. С тех пор было разработано более 90 различных типов модуляции сигналов и еще большее количество помехоустойчивых кодов, были предложены методы оптимального приема и обработки радиосигналов. Основополагающий вклад в развитие радиосвязи внесли В.А. Котельников, А.Н. Колмогоров, А.А. Харкевич, А.Я. Хинчин, В.И. Сифоров, Н. Винер, К. Шеннон, С. Райе и др. Многие современные системы близки к предельной спектральной эффективности, например, такие как UMTS/W-CDMA, WiMAX, LTE, DVB-S2/T2 и др.
Сложность таких систем и все возрастающая частота смены технологий оборачивается крупными экономическими затратами. Поэтому на смену классическим аппаратным решениям приемо-передающей аппаратуры повсеместно приходят решения на основе концепции программно-определяемого радио (ПОР). В данном случае большая часть функций физического уровня реализуется программно, что значительно удешевляет и ускоряет процесс смены технологий. Следующим этапом современного развития радиосвязи являются когнитивные радиосистемы (КРС). Такие системы представляют собой сеть ПОР-устройств, обладающую признаками искусственного интеллекта. В когнитивных радиосетях решение о частотах, полосе, типе модуляции принимается самими устройствами. Но самой актуальной задачей для современных систем связи является задача достижения максимальной спектральной эффективности при любом качестве канала связи. Для этого необходимо иметь алгоритмы оценки параметров радиосигналов в режиме близком к реальному времени.
Анализ литературы по методам обработки сигналов показал, что на данный момент эффективные алгоритмы оценки таких важных параметров радиосигналов как отношение сигнал-шум (ОСШ) и вероятность битовой ошибки (ВБО) требуют либо наличия некоторых эталонных сигналов, либо они узкоспециализированы для конкретных видов модуляции.
В этой связи актуальным является разработка эффективных алгоритмов оценки ОСШ и ВБО для цифровых видов модуляции в режиме близком к реальному времени, что позволит быстро адаптировать систему связи к текущим условиям в канале.
Состояние проблемы. Несмотря на большое количество работ, посвященных статистической оценке различных параметров радиосигналов, работ, посвященных именно оценке ОСШ не так много. Большой вклад в обобщение результатов и разработку измерителей ОСШ внесли И.Т. Рожков, В.П. Шувалов, В.Е. Бухвинер и др. Среди зарубежных ученых стоит отметить таких исследователей, как: David R. Pauluzzi, Norman С. Beaulieu, СМ. Thomas, R. Matzner, В. Shah, S. Hinedi, K. Balachandran, M.C. Jeruchim, R.J. Wolfe и др.
Наиболее сложной является оценка ОСШ для сигналов с аналоговыми видами модуляции, для цифровых видов задача несколько проще, т.к. известен
ожидаемый набор символов. Исторически первыми появились алгоритмы оценки ОСШ для фазовых видов квадратурной модуляции (ФМ), несколько позже - для сигналов с квадратурной амплитудной (КАМ) и фазово-амплитудной (АФМ) модуляциями. Это связано с тем, что у данных видов модуляции длина символьного вектора непостоянна.
Целью работы является разработка и исследование алгоритмов неэталонной оценки отношения сигнал-шум и вероятности битовой ошибки для радиосигналов с квадратурными цифровыми видами модуляции.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
сравнительный анализ существующих алгоритмов оценки ОСШ сигналов с квадратурными цифровыми видами модуляции;
исследование алгоритмов измерения вероятности битовой ошибки как основного критерия качества в современных системах связи;
разработка алгоритма неэталонной оценки отношения сигнал/шум для радиосигналов с квадратурной цифровой модуляцией;
разработка алгоритма неэталонной оценки вероятности битовой ошибки для сигналов с квадратурной цифровой модуляцией в режиме реального времени;
сравнение разработанных методов с существующими;
разработка рекомендаций по адаптации системы связи к текущему ОСШ или ВБО в канале.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы цифровой обработки сигналов, теории вероятностей и математической статистики. Широко использовались методы компьютерного моделирования.
Объектом исследования система оценки параметров радиосигналов с квадратурными видами модуляции.
Предметом исследований являются эталонные и неэталонные алгоритмы оценки таких параметров радиосигналов как отношение сигнал/шум и вероятность битовой ошибки.
Научная новизна
-
Разработан алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с квадратурными цифровыми видами цифровой модуляции на основе вектора ошибок.
-
Разработаны модификации алгоритма оценки ОСШ на основе вектора ошибок с учетом оценки мощности принятого сигнала и данных декодера.
-
Разработан алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой (символьной) ошибки для сигналов с квадратурной цифровой модуляцией на основании измерения отношения сигнал/шум.
Практическая значимость
1. Разработанный алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум позволяет производить быстрое принятие решение о смене типа модуляции для обеспечения максимально возможной спектральной
эффективности или поиска наилучшего канала связи в доступном диапазоне частот, опираясь на измеренное значение ОСШ. Для модуляции КАМ-16, например, обработка 1600 символов дает оценку ОСШ с погрешностью не более 0,5 дБ.
-
Предложенный алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой ошибки позволяет существенно повысить скорость определения этого параметра по сравнению с классическими методами. Например, для модуляции КАМ-16 и скорости битового потока 2048 кбит/с, вероятность битовой ошибки 10~5 классическим способом будет оценена за 0,5 с, а предложенным с той же точностью за 0,1 с.
-
Предложенные переходы между различными видами модуляции в зависимости от текущего ОСШ в канале могут быть использованы в адаптивных системах связи для обеспечения максимальной спектральной эффективности.
Результаты работы внедрены в соответствующие разработки ОАО «Ярославский радиозавод», ООО «А-вижн» (г. Ярославль). Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ЯрГУ в рамках дисциплины «Беспроводные сети связи», а также в научно-исследовательские работы при выполнении исследований в рамках грантов по программе «УМНИК» (договор № 5/2010 от 1 апреля 2010 г.) и гранта РФФИ №10-08-01186-а «Разработка методов оценки качества видеоинформации». Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Личный вклад автора. Выносимые на защиту положения предложены и реализованы автором самостоятельно в ходе выполнения научно-исследовательских работ на кафедре динамики электронных систем Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова.
Достоверность материалов диссертационной работы подтверждена результатами компьютерного моделирования, демонстрирующими эффективность предложенных методов в задачах оценки параметров радиосигналов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
12, 13, 14 Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2010-2012;
1 Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны», Пенза, 2011;
XVIII, XIX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2012-2013;
17 Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 2012;
1-2 Всероссийской конференции «Радиоэлектронные средства передачи и приема сигналов и визуализации информации», Москва-Таганрог, 2011-2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 6 в рецензируемых сборниках трудов, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, подана заявка на регистрацию ПО для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 104 страницах. Список литературы включает 116 наименований. В работе представлено 52 рисунка и 3 таблицы.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с многоуровневыми квадратурными видами модуляции (КАМ, ФМ, АФМ).
-
Модифицированный алгоритм неэталонной оценки отношения сигнал/шум для сигналов с многоуровневыми квадратурными видами модуляции (КАМ, ФМ, АФМ), учитывающий данные декодера.
-
Алгоритм неэталонной оценки вероятности битовой (символьной) ошибки для сигналов с квадратурными видами модуляции в режиме реального времени.
Похожие диссертации на Неэталонная оценка параметров радиосигналов с цифровыми видами модуляции
