Введение к работе
Актуальность темы.
Односторонние асинхронные радиотехнические системы передачи информации (РСПИ) находят широкое применение в качестве охрано-пожарных систем, систем телеметрии и мониторинга, работающих в лицензируемом и нелицензируемом диапазонах частот, и имеют ряд преимуществ: во-первых, малая стоимость развертывания системы в целом за счет минимизации стоимости объектовых устройств; во-вторых, уменьшение энергопотребления объектового устройства за счет исключения из работы цикла приема; в-третьих, возможность покрытия обширных территорий, при ограниченной мощности, за счет возможности использования малой символьной скорости передачи сообщений.
Вместе с тем, такие системы имеют ряд недостатков, таких как:
меньшая гарантия доставки сообщения, по сравнению с радиосистемами, имеющими обратный канал;
отсутствие возможности запроса со стороны приемного устройства (ПУ) конкретного объектового устройства (ОУ), не позволяющее синхронизировать работу всех ОУ, контролировать состояние ОУ в рабочем состоянии, запрашивать повторную доставку утерянного сообщения и т.д.;
- высокая вероятность наложения сообщений от несинхронизированных ОУ.
Данные недостатки снижают реальную емкость систем (количество обслуживаемых ОУ) и повышают вероятность пропуска сообщения. К сожалению, вопросы улучшения качества работы таких систем исследованы недостаточно полно, что не позволяет в полной мере реализовать их потенциально высокую экономическую эффективность.
Повышение емкости системы за счет уменьшения эффективной полосы излучения (снижения символьной скорости передачи) приводит к тому, что начиная с некоторого значения, нестабильность несущей частоты становится соизмеримой с шириной спектра сигнала. Соответственно попытки увеличения емкости системы за счет уплотнения частотных каналов приведет к коллизиям. Коллизии являются одним из основных сдерживающих факторов применимости односторонних асинхронных РСПИ. Учитывая тот факт, что проблемы коллизий, применительно к системам с частотно нестабильными каналами, ранее не рассматривались, проведение исследований по данной тематике являются актуальными.
Помимо проблем, связанных с коллизиями пакетов, эффективность РСПИ также во многом определяется непосредственно помехоустойчивостью приемного устройства. Общие вопросы помехоустойчивости приема на сегодняшний день широко рассмотрены и для большинства случаев имеющийся научно-технический задел позволяет реализовывать эффективные радиосистемы. Однако до сих пор имеется узкий круг проблем, не раскрытых в полной мере. В частности, одной из
них можно назвать вопрос влияния интерполятора Фэрроу в схеме символьного синхронизатора на помехоустойчивость приема при рассмотрении конкретных видов модуляций и конкретных схем реализации приемного устройства. Интерполятор Фэрроу представляет собой интерполятор Лагранжа, представленный в дискретной форме, и работающий с конечным числом выборок сигнала. Учитывая то, что интерполятор Фэрроу нашел широкое применение в узлах символьной синхронизации цифровых приемных устройств, данный вопрос требует более подробного рассмотрения.
Вопросами построения односторонних асинхронных систем занимались Г. С. Эйдус, В. В. Марков, М. Д. Вендиктов, Б. С. Цыбаков, Н. Б. Лиханов, В. И. Левенштейн, Дж. Мэсси, Ю. Чжанг, В. Шум, С. Вонг. Наиболее значимые работы по проблемам символьной синхронизации были опубликованы Ф. М. Гарднер, У. Менгали, Д. Д'Андреа, М. Незами.
Цель диссертационной работы.
Теоретические и экспериментальные обоснования рекомендаций для повышения достоверности доставки коротких сообщений в односторонних асинхронных радиосистемах в условиях нестабильности частоты несущей.
Задачи диссертационной работы.
- Определение вероятности потери пакетов в результате частотно-временных
конфликтов в условиях нестабильности частоты несущей;
- Исследование влияния помехи по соседнему каналу на вероятность ошибки
приема частотно-манипулированного сигнала;
- Исследование влияния интерполятора Фэрроу на помехоустойчивость ФМн и
ЧМн сигналов.
Методы исследований. В работе использовались методы теории вероятностей, математической статистики и математического анализа, элементы теории статистической радиотехники, численный эксперимент, имитационное моделирование.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены следующие научные результаты:
предложен способ определения вероятности наложения сигналов по частоте вследствие нестабильности опорных генераторов путем перехода к случайному частотному смещению с финитной плотностью вероятности;
получены аналитические выражения, позволяющее определить вероятность коллизий пакетов в частотно-временном пространстве, учитывающее вероятностные характеристики случайного частотного смещения несущей.
Получены и проанализированы частные решения для случая равномерного распределения случайного частотного смещения;
определены границы и получены выражения, аппроксимирующие границы области влияния помехи по соседнему каналу для некогерентного корреляционного демодулятора и некогерентного демодулятора с линейным дискриминатором при приеме ЧМн сигналов;
дополнены результаты исследований влияния интерполятора Фэрроу на помехоустойчивость сигналов с фазовой и частотной манипуляцией.
Достоверность результатов, полученных аналитическим путем, подтверждается проведенными численными экспериментами на ЭВМ. Достоверность результатов имитационного моделирования определяется корректным использованием исходных данных, а также верификацией модели путем сравнения результатов тестовых вычислений с известными результатами.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
получен алгоритм, позволяющий получить последовательности, избегающие конфликтов с минимальным интервалом гарантированного приема и максимальной энергетической эффективностью;
приведены сравнения последовательностей, избегающих конфликтов, предложенных в работах Б. С. Цыбаковым и Н. Б. Лихановым, а также Ю. Чжанга, В. Шума, С. Вонга при разделении сообщений на два типа приоритетов.
даны практические рекомендации для выбора порядка интерполятора Фэрроу, учитывающие влияния интерполятора на помехоустойчивость ФМн и ЧМн сигналов.
Положения, выносимые на защиту:
Способ определения вероятности наложения сигналов по частоте вследствие нестабильности опорных генераторов путем перехода к случайному частотному смещению с финитной плотностью вероятности. Зависимость вероятности частотных коллизий от случайного частотного смещения при введении частотного расширения.
Обоснование целесообразности применения попарно взаимно простых чисел при формировании закона распределения пакетов во времени с постоянным периодом следования. Аппроксимирующие выражения, позволяющие оценить минимальную вероятность потери пакета вследствие временных коллизий в зависимости от времени контроля.
Зависимость битовой ошибки от помехи по соседнему каналу для частотно-манипулированного сигнала в случае, когда помехой выступает сигнал,
имеющий аналогичный вид модуляции и символьную скорость. Аппроксимирующие выражения, определяющие границы области влияния помехи по соседнему каналу.
- Рекомендации по выбору порядка интерполятора Фэрроу в схеме символьной
синхронизации для сигналов с фазовой и частотной манипуляцией, основанные
на исследованиях влияния интерполятора на помехоустойчивость.
Апробация результатов диссертации. Результаты докладывались на следующих конференциях:
13-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Институт проблем управления РАН, г. Москва, 2011 г.);
6-й Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, 2012 г.);
5-й Межрегиональной научно-практической конференции «Броня-2010» (г. Омск, 2010 г.);
7-й Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2009 г.)
Региональных научно-практических конференциях «Наука, образование, бизнес» (г. Омск, 2010, 2012 гг.).
Публикации. Материалы и основные результаты диссертационной работы были опубликованы 16 печатных работ, из них 4 статьи в научных изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК, 6 полнотекстовых докладов и 6 публикаций в виде тезисов докладов в сборниках трудов научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения, списка литературы из 104 источника, 3 приложения и содержит 109 страниц основного текста, 62 рисунка, 8 таблиц.
