Введение к работе
1. Актуальность темы
Приоритетным направлением развития современной теории и техники передачи информации является разработка и исследование систем связи, в которых информационные сообщения представлены в цифровом виде
Это обусловлено лавинообразным нарастанием объемов передаваемых дгн-ных, а также необходимостью создания большого множества доменов, сопрягаемых на всех уровнях глобальных, региональных и местных сетей связи В первую очередь речь идет о системах спутниковой, радиорелейной, мобильной и транкинговои связи Поставленные перед ними проблемы могут быть решены только путем создания цифровых систем передачи информации (ЦСПИ), обладающих высокой технико-экономической эффективностью в практических приложениях
Особенностью ЦСПИ является использование так называемых дискретных сигналов, т е радиосигналов у которых информационные параметры являются дискретными случайными процессами К ним относятся хорошо известные сигналы бинарной амплитудной, частотной и фазовой манипуляции, активно применявшиеся во второй половине прошлого столетия В последние десятилетия стало актуальним применение в ЦСПИ более сложных многопозиционных дискретных сигналов, т-иболее перспективными из которых являются сигналы квадратурной амплитуд* ой модуляции
Сигналы квадратурной амплитудной модуляции (QAM - quadrature amplitude modulation) относятся к классу многопозиционных дискретных сигналов, на интервале действия посылки которых возможна передача более одного бита информации Количество бинарных информационных дискретных параметров в составе сигн зла QAM определяет его размерность и спектральную эффективность (отношение скорости передачи информации к полосе частот, занимаемых сигналом)
Так, например, сигнал 16QAM содержит 4 бинарных информационных параметра, переносящих на интервале действия посылки 4 бита информации, а колиге-ство возможных вариантов передаваемых посылок сигнала равно 16 При этом
спектральная эффективность сигнала 16QAM в четыре раза превышает спектральную эффективность сигнала бинарной фазовой манипуляции (PSK - phase shift keying) Эти обстоятельства обуславливают широкое применение сигналов QAM в современных ЦСІШ
При проектировании ЦСТШ возникает ряд проблем, среди которых выделим влияние искажений сигналов в аналоговых трактах ЦСПИ на помехоустойчивость передачи информационных сообщений Наибольший вклад в снижение помехоустойчивости приема вносят межсимвольные искажения (следствие принудительной трансформации спектра сигнала в модуляторе передатчика с целью улучшения ЭМС ЦСПИ), а также нелинейные искажения (компрессионные и интермодуляционные искажения 3-го порядка), возникающие вследствие нелинейности амплитудных характеристик узлов аналоговых трактов ЦСПИ
Синтез оптимальных алгоритмов и исследование помехоустойчивости приема (BER - bit error rate) дискретных сигналов проводились многими авторами, начиная с основополагающей работы В А Котельникова "Теория потенциальной помехоустойчивости" - Госэнергоиздат, 1956г
Для сигналов QAM такие исследования проведены в ряде работ, например Herman Barth, (QAM digital radio relay modems for the transmission of 140-Mbit/s signals - Telcom report 10, 1987, Special "Radio communication"), Jianhua їді, Letaief KB (M-PSK and M-QAM BER computation using signal space-concepts - IEEE Transactions on communications, Vol 47, Feb 1999, p 181-184), Дж Прокис (Цифровая связь - М Изд-во Радио и связь, 2000 г), Kyongkyk Cho and Dongwood Young (On the General Expression of One and Two Dimensional Amplitude Modulations - IEEE Transactions on communications, Vol 50, № 7, July 2002, p 1074-1080), Мартиросов В E (Когерентные алгоритмы посимвольного приема сигналов QAM - Электросвязь, 2007, № 1, с 47-51) и т д
Известные в литературе результаты по расчету помехоустойчивости приема сигналов QAM обладают рядом особенностей Среди них выделим следующее
Аналитические выражения для оценки помехоустойчивости сигналов QAM но-
сят, как правило, характер усредненной верхней границы оценки BER посимвольного приема Отсутствуют методики расчета BER для побитового приема штатов QAM, что не позволяет аналитически оценить влияние нелинейных искаженні на помехоустойчивость приема многопозиционных дискретных сигналов
К наименее исследованным на данный момент вопросам можно отнести в таяние компрессионных искажений в аналоговых трактах ЦСШЇ на помехоустоіїчи-вость приема сигналов QAM Изложенные выше обстоятельства обусловливав! актуальность темы данной диссертационной работы
Цель диссертационной работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является исследование влияния уровня компрессионных искажений в аналоговых трактах ЦСПИ на помехоустойчивость приема сигналов QAM.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи
Получение замкнутых аналитических выражений для расчета помехоустойчивости (BER) побитового когерентного приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции (QAM)
Получение замкнутых аналитических выражений для расчета помехоустойчивости (BER) побитового когерентного приема сигналов QAM, прошедших аналоговые тракты ЦСПИ с компрессионными (нелинейными) искажениями
Исследование помехоустойчивости побитового приема сигналов QAM у ето-дами статистического моделирования на ПЭВМ
Методы исследований. В диссертационной работе для решения постав пенных задач использовались математический аппарат теории статистических решеяий, теории вероятностей и математической статистики, методы статистического им ита-ционного моделирования
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем 1 Разработана методика расчета помехоустойчивости побитового приема многокомпонентных дискретных сигналов Методика основана на полученных в тс-сертации выражениях для оценки вероятности ошибки различения двух сигналов,
имеющих коэффициент взаимной корреляции равный единице и неравные энергии на интервале наблюдения
Аналитическими методами получены выражения для расчета помехоустойчивости побитового когерентного приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции (QAM) Выражения получены как для оценки качества приема отдельных бит (кодовых позиций) информационного сообщения, так и для усредненной по всем битам вероятности ошибки посимвольного приема
Исследовано влияние нелинейных (компрессионных) искажений на помехоустойчивость побитового когерентного приема сигналов QAM Получены расчетные выражения для BER дискретных сигналов PSK, QPSK, 16QAM и 64QAM
Методами статистического моделирования на ПЭВМ проведена успешная апробация корректности полученных аналитических расчетных выражений для помехоустойчивости когерентного приема исследуемых сигналов QAM
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1 Полученные в диссертации аналитические выражения для оценки побитовой
помехоустойчивости дискретных сигналов позволили оценить неравномерность
значений BER для различных кодовых позиций (бит) передаваемых в едином фор
мате сигналов QAM Так для сигнала 16QAM BERmAM(a2)/BERm/M{ai) = 2, а для сиг-
Hana64QAM BER6i(iAM(a2)/BERMQAU(al) = 2 п BER^^iaJIBER^^iaJ^A
При наличии компрессионных искажений неравномерность значений BER для различных кодовых позиций (бит) передаваемых в едином формате сигналов QAM с повышением E0IN0 существенно возрастает Так для сигнала 64QAM при Ео/М0-20,6 дБ и компрессии пиковой мощности в 1 дБ различие в BER достигает одного порядка (BER6iQAM (aJlBER^^ (а,) = 10), а при Е0 /N„-25,5 дБ - уже двух порядков (BERstctfM (a^/BER^^ (or,) = 100)
Сформулированные рекомендации по проектированию аналоговых трактов ЦСПИ позволяют минимизировать потребляемую мощность при контроле снижения помехоустойчивости приема за счет компрессионных искажений сигналов QAM
Практическая значимость работы.
Полученные в диссертации выражения для оценки помехоустойчивое ги сигналов QAM позволяют проектировать ЦСПИ с учетом неравномерности BER для разных кодовых позиций передаваемого в ЦСПИ информационного сообщения
Полученные в диссертации результаты позволяют оценивать потери в хо-мехоустойчивости приема сигналов QAM при наличии нелинейных (компрессионных) искажений в реальных аналоговых трактах ЦСПИ.
Создан программный комплекс цифрового статистического моделирования для оценки помехоустойчивости побитового и усредненного посимвольного приема сигналов QAM Программный комплекс позволяет проводить экспериментальные оценки BER для сигналов PSK, QPSK, 16QAM и 64QAM при различных уровісях компрессионных искажений сигналов в аналоговых трактах ЦСПИ
Сформулированы рекомендации по проектированию аналоговых траков ЦСПИ, позволяющие минимизировать потребляемую мощность при контроле снижения помехоустойчивости приема за счет компрессионных искажений сигналов QAM. Данные рекомендации актуальны при проектировании аппаратных средлв ЦСПИ в условиях жестких ограничений на энергопотребление оборудования
Достоверность результатов работы
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена строгим использованием адекватного математического аппарата и хорошим соответствием результатов аналитических исследований и статистического моделирования на ПЭВМ. Кроме того, получено соответствие результатов статистического моделирования на разработанном программном комплексе с известными в литературе теоретическими и экспериментальными результатами для сигналов PSK и QPSK
Публикации и апробация результатов работы
Результаты диссертации докладывались на заседании кафедры 407 Московс кого авиационного института (государственного технического университета), а таї еже на 3-ей международной молодежной научно-технической конференции "Соврел ен-ные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2007", г Севастополь, 16-21 апреля 2007 года и получили положительную оценку
По теме диссертации опубликованы две работы (статья и доклад на международной конференции)
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, содержащего 10 наименований и 3 приложений. Объём работы составляет 114 страниц, включая 41 рисунков и 4 таблицы
