Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время в связи с интенсивным развитием радиотехнических средств передачи дискретной информации (СПДИ) ощущается нехватка спектральных ресурсов, возрастает количество объемов передаваемой информации, повышаются: требования к качеству передачи сообщений. В связи с этим возрастает актуальность проблемы повышения удельной скорости передачи информации при обеспечении необходимой достоверности приема. Особенно важна необходимость эффективного решения этой проблемы в таких развивающихся СПДИ, как спутниковые и сотовые, а также при трансляции больших объемов информации при передаче видеоизображений в цифровом телевидении высокого качества, в видеоконференциях, как наиболее перспективных средствах связи.
Для повышения удельной скорости передачи информации и увеличения энергетической эффективности систем радиосвязи применяются отдельно и в совокупности различные методы:
специальные виды модуляции- квадратурно-амплитудная (КАМ), амплитудно-фазовая (АФМ), частотная с непрерывной фазой (ЧМНФ);
эффективные методы формирования последовательностей - введение межсимвольной интерференции. (МСИ), применение зависимых сигналов, увеличение канального алфавита;
сглаживание амплитуды, фазы или частоты в моменты перескока фазы или смены посылки;
спектрально-эффективные коды;
цифровая реализация методов обработки сигналов.
В работе основное внимание уделено повышению удельной скорости передачи информации за счет применения спектрально-эффективных сигналов со сглаживанием огибающих.
Спектрально-эффективные виды модуляции и сигнальные траектории находят широкое применение в СПДИ: АФМ-МСЙ сигналы в радиорелейных, спутниковых и проводных системах связи (Bell Northern Research, TRW, Fujitsu), КАМ сигналы в радиорелейной связи (TRW, Fujitsu,), модуляция с минимальным сдвигом (ММС) в стандарте POCSAG, квадратурно-фазовая манипуляция (КФМ) в спутниковой, сотовой связи (Mobile Satellite, North America Digital Cellular), частотно-манипулированые сигналы с частотным импульсом вида трапеции (ТРЧМ) и приподнятый косинус (ПКЧМ) в KB связи (Омский НИИ приборостроения), гауссов-ская ММС (ГММС) в цифровой сотовой связи (Ericsson). Однако, перечисленные сигналы и виды модуляции либо обеспечивают небольшую удельную скорость передачи и неудовлетворительную скорость спада спектра (ММС, ТРЧМ, КФМ), либо имеют большие энергетические потери (КАМ). Можно обозначить следующие физические причины указанных недостатков:
прямоугольность импульсов сигнальных траекторий, обусловливающая наличие скачков амплитуды, фазы или частоты, приводящих в итоге к расширению спектра (КАМ);
неоптимальность, обусловленная эмпиричностью выбора закона огибающих исходя из простоты формирования (ТРЧМ, ПКЧМ, ММС, АФМ-МСИ вида sinx/x);
- использование фильтров при формировании сигналов (ГММС, Фехера КФМ).
При формировании НЧ сигналов с использованием фильтров далеко не все формы огибающих могут быть реализованы, а увеличение скорости передачи приводит к возникновению неконтролируемой МСИ, увеличению пик-фактора колебаний, к энергетическим потерям. К тому же для каждого из нескольких видов манипуляции необходим "свой" оптимальный фильтр, либо требуется усредненный для разных видов работ передатчика манипуляционный фильтр (в системах морской подвижной связи KB диапазона).
Таким образом, актуальной является проблема выбора оптимальной формы огибающей. Предлагается при безфильтровом методе формирования оптимизировать форму огибающей: определить законы плавного изменения амплитуды, фазы, частоты в соответствии с критериями, вытекающими из требований разработчика.
В работе рассматривается оптимизация огибающих спектрально-эффективных сигналов путем синтеза, а также путем применения в качестве законов изменения огибающих классов гладких функций (так как последний метод также может дать оптимальные результаты). Следует отметить, что некоторые используемые законы изменения огибающих сигналов могут оказаться оптимальными в соответствии с теми или иными критериями.
Целью работы является повышение удельной скорости передачи информации в системах радиосвязи за счет применения оптимальных спектрально-эффективных сигналов при сохранении высокой достоверности приема.
Для достижения данной цели формулируются следующие задачи:
проведение анализа используемых в системах связи сигналов и видов модуляции;
проведение анализа критериев оптимальности радиосигналов;
поиск оптимальных спектрально-эффективных сигналов в зависимости от требований к внеполосным излучениям (ВПИ), скорости передачи, достоверности приема в соответствии с выбранным критерием;
исследование временных и спектральных характеристик полученных сигналов и сравнение их с характеристиками сигналов, используемых на практике;
исследование помехоустойчивости приема найденных сигналов;
оптимизация^лгоритмов приема для некоторых найденных сигналов;
—-~разработка~алгоритмов формирования спектрально-эффективных сигналов на сигнальных процессорах, исследование ошибок формирования;
- разработка рекомендаций по применению предлагаемых спектрально-
эффективных сигналов в системах радиосвязи.
Методы исследования. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, результаты моделирования, полученные с использованием методов теории передачи информации, теории оптимального приема сигналов, вариационного исчисления, функционального анализа, специальных функций, теории случайных процессов и математической статистики, спектрального анализа, методов вычислительной математики и программирования.
Научная новизна
-
Аналитически синтезированы новые формы оптимальных семейств огибающих спектрально-эффективных сигналов по критериям минимума ВПИ, максимальной компактности спектра при ограничениях на спектральные, временные параметры, энергию и вероятность ошибок приема для сигналов с АФМ, АФМ-МСИ и ЧМНФ сигналов. Для АФМ сигналов найдены огибающие, имеющие при заданном пик-факторе колебаний П>1,17 лучшую скорость убывания ВПИ по сравнению с известными сигналами при заданной энергии и длительности. Для ЧМНФ сигналов найдены огибающие, имеющие при заданном минимальном евклидовом расстоянии между сигналами лучшую скорость убывания ВПИ спектра, чем у известных Сигналов.
-
Показано, что найденные сигналы являются семействами в отличие от известных сигналов. Спектрально-временные характеристики полученных в результате решения оптимизационной задачи сигналов составляют при различных параметрах задачи непрерывные кривые зависимостей.
-
Впервые предложен критерий оптимизации спектрально-эффективных сигналов - критерий максимальной компактности спектра, синтез по которому дает семейство АФМ сигналов с более широким диапазоном изменения пик-фактора, чем у семейства, синтезированного по критерию минимума ВПИ.
-
Показано, что семейство оптимальных АФМ-МСИ сигналов совпадает с семейством сигналов, являющихся решением задачи синтеза по критерию максимальной компактности спектра, что свидетельствует об универсальном характере полученных законов изменения огибающих сигналов.
5. Предложена таблично-графическая методика выбора оптимальных
спектрально-эффективных сигналов как с постоянной, так и с переменной оги
бающей из семейств:
АФМ сигналов: при П=1,17...1,80, Ку=1 ,20 ...2,80, К= 0,50...-330дБ,
АФМ-МСИ: при П=1,17...1,80, Kv=2,20,..5,2O, Ке= -5,50...-О,10дБ,
ЧМНФ: при h=0,715, П=1, Р=1,39...2,07 Ку= 1,80 ...0,95, КЕ =2,35...3,02. по заданным спектрально-временным характеристикам и характеристикам приема в зависимости от требований разработчика (где Ку — коэффициент увеличения удельной скорости; Ке - энергетический выигрыш (Ке>0) /проигрыш ( Ке<0) при оптимальном когерентном приеме: относительно трапецеидальных сигналов для АФМ и относительно ММС для ЧМНФ, h- индекс манипуляции).
-
Сделан вывод, что с достаточной степенью точности (при среднеквадратичном отклонении, равном 10"*) при П>1,37 законы изменения огибающих расширенного класса найденных АФМ сигналов совпадают с классом функций вида sufbc, где т>0.
-
Проведена теоретическая и экспериментальная оптимизация алгоритмов обработки АФМ-МСИ сигналов, которая позволяет реализовать дополнительный энергетический выигрыш 0,5...5,8 дБ в зависимости от формы огибающей сигнала.
Практическая ценность работы
1. Полученные оптимальные АФМ сигналы длительности Т и 2Т позволяют увеличить скорость передачи информации в заданной полосе частот в СПДИ с высокой линейностью каналов (спутниковые, радиорелейные). Синте-
зированные АФМ-Т сигналы (длительности информационной посылки Т) обеспечивают увеличение удельной скорости до 2,8 раз при энергетических потерях не более 3,3 дБ по сравнению с трапецеидальными сигналами в режиме фиксированной пиковой мощности. Оптимальные спектрально-эффективные АФМ-МСИ ситналы при П=1,75 обеспечивают повышение удельной скорости передачи информации по сравнению с АФМ-Т сигналами вида трапеции в 5,2 раза без энергетических потерь. Оптимальные ЧМНФ сигналы позволяют увеличить скорость передачи до 1,8 раз по сравнению с ММС сигналами при энергетическом выигрыше 2,55 дБ в случае квазиоптимального когерентного алгоритма обработки при Рош=10"2 в KB, сотовых и других СПДИ.
-
Предложенная таблично-графическая методика выбора эффективных сигналов позволяет осуществить практическую оптимизацию сигналов при проектировании систем связи, что значительно упрощает и ускоряет выбор оптимального сигнала по заданным характеристикам, делает возможным осуществление обмена энергетической эффективности на увеличение скорости передачи информации.
-
Полученные сигналы в сочетании со спектрально-эффективными методами фрактального сжатия и КАМ-кодирования позволяют улучшить качество передачи видеоизображений по спутниковым линиям связи и в видеоконференциях.
-
АФМ-МСИ сигналы могут быть применены в системах связи для повышения степени защиты информации от несанкционированного доступа: при приеме таких сигналов специальными алгоритмами обеспечивается достоверность передачи информации, близкая к потенциальной, при приеме традиционными алгоритмами-достоверность приема не обеспечивается.
-
Разработаны алгоритмы формирования и структура установки формирователя последовательностей спектрально-эффективных АФМ и ЧМНФ сигналов с использованием сигнальных процессоров ADSP-2101, 2181. Среди известных сигналов своего класса формируемые АФМ-Т и АФМ-МСИ сигналы при заданном пик-факторе имеют лучшие спектртльные^4арактеристики,^а_
ЛМНФ-сигналы при-заданномевклидовомрасстоянии имеют лучшую спектральную эффективность.
Реализация и внедрение результатов исследований
1. Результаты работы внедрены в НИР Омского НИИ приборостроения
по созданию перспективного передатчика декаметровон связи.
В рамках этой работы получены алгоритмы безфильтрового формирования огибающих телеграфных сигналов для KB систем связи, обеспечивающие более зысокую скорость передачи в отведенной полосе частот, чем используемые сигналы.
2. Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры
«Средства связи» ОмГТУ.
Разработана лабораторная работа по компьютерному моделированию формирования и обработки сигналов различных видов модуляции (АФМ, ЧМНФ,
АФМ-МСИ и др.) с синтезированными амплитудными и частотными импульсами в среде моделирования СИАМ. Разработана лабораторная работа по исследованию процесса формирования сигналов и изучения их спектральных характеристик для различных видов модуляции (АФМ, ЧМНФ, АФМ-МСИ и др.) с синтезированными амплитудными и частотными импульсами на сигнальном процессоре ADSP2101.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и одобрены на 5 научных конференциях и симпозиумах (в том числе на четырех Международных): на Международной научно-практической конференции "Информационные технологии и радиосети-96", (Омск, 1996), Всероссийской научно-технической конференции "Методы и технические средства обеспечения безопасности информации" (Санкт-Петербург, 1996), Международном симпозиуме "Ахустоэлектроника, управление частотой и формирование сигналов" (Москва, 1996), Международной научно-практической конференции и выставке "Спутниковые системы связи и навигации" (Красноярск, 1997), IV Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж, 1998), а также на научно-технических семинарах кафедр "Средства связи", РТУ и ФМПИ ОмГТУ, кафедр «Радиотехника» и «Радиоэлектронные средства защиты информации» СГОГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе статьи в центральной печати и в трудах Международных конференций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из основной части объемом 150 стр.: введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений объемом 62 стр. Текст содержит 35 таблиц и иллюстрируется 125 рисунками.
