Введение к работе
Актуальность темы. Широко распространенные способы передачи дискретной информации с использованием простых сигналов в значительной мере исчерпали ресурс многих практически важных диапазонов частот. Рост числа систем передачи информации с простыми сигналами в этих диапазонах сопровождается увеличением уровня взаимных помех и общим снижением качества приема информации. Для повышения загрузки этих диапазонов без снижения качества функционирующих систем передачи информации, целесообразно использовать сигналы с низким уровнем спектральной плотности. Такие сигналы оказывают слабое влияшге па величину отношения сигнал / помеха простых сигналов и, следовательно, на качество их приема. Низким уровнем спектратьной плотности обладают так называемые широкополосные сигналы (11ШС), что позволяет применять их для передачи дополнительной дискретной информации но канатам, загруженным передачей других сообщений.
Кроме того, такой дополнительный канал характеризуется более высокой степенью защиты от несанкционированного доступа, чем каналы, использующие простые сигналы. Это обуславливает перспективность его использования для передачи информации, несанкционированный доступ к которой должен быть максимально ограничен.
Однако в настоящее время, реализация дополнительного канала затруднена по следующим причинам:
-
Существующие алгоритмы приема ШПС разработаны для флюктуацнон-ных помех и не соответствуют условиям работы в дополнительном канале в частотных диапазонах, перспективных для передачи дискретных сигналов по загруженным канатам.
-
Высокий уровень потерь па обработку ШПС с большими базами, обусловленный неидеальностью функциональных элементов приемных устройств.
Совместное влияние указанных факторов явилось причиной того, что известная система "Rake" не обеспечила проектных эксплуатационных характеристик. Общий уровень потерь в данной системе передачи дискретной информации оказался сопоставим с потенциатьной эффективностью применяемых ШПС.
При использовании дискретного канала для передачи информации, несанкционированный доступ к которой должен быть максимально ограничен, проблема высокой сложности приемных устройств ШПС с большими базами может быть решена за счет применения компьютерной обработки. Поскольку обмен информацией, требующей максимальной защиты, имеет, как правило, эпизодический характер, то прием информации может быть реализован в режиме обработки записей отсчетов сигналов. Такой режим обработки снимает ограничения на быстродействие вычислительного устройства, и позволяет использовать сложные атгоригмы, обеспечивающие адаптацию к условиям работы в реальных канатах связи.
В силу синхронного характера работы дискретных систем связи, реализация дополнительно канала связи с ШЇ1С, на основе использования режима обработки записей отсчетов сигналов, требует решения задачи обеспечения временной избирательности решений. Синхронизация решений в процессе обработки записей отсчетов минимального объема существенно отличается от синхронизации при обработке в реальном времени.
Таким образом, задача разработки алгоритмов функционирования дополнительных каналов, обеспечивающих максимальное использование потенциальных возможностей ШПС в режиме обработки записей отсчетов сигналов, является актуальной при решении задачи повышения загрузки существующих каналов связи, без ухудшения качества их работы, особенно в случаях, когда возникает потребность в максимальной защите передаваемой информации от несанкционированного доступа.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка математических лщделей дополнительных каналов передачи дискретной информации но загруженным каналам связи, синтез, исследование и имитационное моделирование адаптивных цифровых алгоритмов приема сигналов в таких каналах.
Практическая реализация дополнительного канала связи с ШПС предполагает решение следуюпцгх задач:
-
Построение математической модели дополнительного канала, учитывающей основные существенные факторы, влияющие на прием ШПС в реальных каналах связи.
-
Разработка эффективных алгоритмов адаптации к характеристикам реальных каналов связи в процессе реализации цифровых методов приема, позволяющих в максимальной степени использовать потенциальные возможности ШПС.
-
Анализ показателей качества синтезированных алгоритмов.
-
Анализ влияния погрешностей перехода от аналоговых сигналов к их цифровому представлению на качество приема ШПС, для синтезированных алгоритмов.
-
Разработка и исследование алгоритма функционирования дискретной системы синхронизации с относительно большим шагом регулирования, обеспечивающей получение необходимого качества синхронизации по задержке в процессе цифровой обработки записей отсчетов минимального объема.
-
Моделирование дополнительного канала связи с ШПС для проверки полученных в процессе теоретического исследования результатов.
Методика исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей и математической статистики, теории принятия решений, теории систем сигналов, теории марковских процессов, теории матриц, теории распространения волн в среде со случайными неоднород-ностями показателя преломления.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
Разработана математическая модель дополнительного каната связи с ШПС, учитывающая весь комплекс существенных факторов воздействия канала на приём ШПС.
Разработана математическая модель нелинейных фазовых искажений (НФИ) спектра ШПС в ионосферном канале связи декаметрового диапазона, позволяющая численными методами определить уровни составляющих НФИ с зависимости от состояния ионосферы, которая так же может иметь самостоятельные значения в плане применения при исследованиях ионосферы.
Синтезированы оптимальные алгоритмы приёма ШПС в дополнительном канале, ориентированные па применение цифровых методов обработки, включающие оптимальные правила оценивания основных характеристик канала, которые могут быть использованы при решении соответствующих измерительных задач.
Для синтезированных алгоритмов приёма получены численные значения показателей качества обработки сигналов в дополнительном канале связи.
Исследовано влияние погрешностей цифрового представления сигналов на входе синтезированного приёмника ШПС в дополнительном канале на качество приёма и решена задача оптимизации процесса цифрового представления отсчётов.
Разработана методика анализа влияния неядеальности корреляционных функций ШПС на качество оценки НФИ при многомодовом характере распространения сигналов в дополнительном канале и получены условия разделения мод.
Исследована система синхронизация решений в режиме обработки записей отсчетов минимального объема.
Проведена проверка полученных результатов путём модельного эксперимента на ПЭВМ, показавшего высокую эффективность разработанных алгоритмов приёма ШПС и точность анатитических соотношений, описывающих зависимость характеристик качества приёма от характеристик канала связи.
Практическая ценность. Практическая ценность реферируемой работы состоит в том, что полученные результаты позволяют:
Проектировать эффективные СПДИ в дополнительном канале с ШПС с максимальным использованием потенциальных возможностей данного класса сигналов.
Организовать передачу конфиденциальной информации по «загруженным» каналам связи, обеспечивая повышенный уровень защиты от несанкционированного доступа.
Использовагь при реализации приёма ШПС цифровые средства обработки сигналов с относительно небольшой разрядностью цифрового представления отсчётов сигналов.
Осуществлять приём [ІПТС в режиме обработки записей отсчётов сигналов.
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
-
Математическая модель дополнительного канала связи с ШПС, отражающая основной комплекс факторов, оказывающих существенное воздействие на прием в данном канале связи.
-
Методика и результаты аначиза влияния канала декаметрового диапазона па фазовую структуру ШГІС.
?. Оптимальные, цифровые алгоритмы приема ШПС в каналах, с фазовыми искажениями сигнала и аддитивной помехой с неравномерным энергетическим спектром.
-
Впервые полученный и исследованный оптимальный цифровой алгоритм оценивания нелинейных фазовых искажений ШПС на фоне аддитивной помехи с неравномерным энергетическим спектром.
-
Методика исследования взаимного влияния мод ШПС на процедуру оценивания нелинейных фазоаых искажений и рекомендации по обеспечению условий разделения мод.
-
Методика исследования влияния характеристик АЦП на показатели качества цифровых алгоритмов обработки ШПС в дополнительном канале.
-
Рекомендации для разработки системы синхронизации при приеме ШПС в режиме обработки записей отсчетов сигналов.
-
Компьютерная модель СПДИ по загруженным каналам связи и результаты моделирования цифрового алгоритма при отношениях сигнал / помеха -26,3 дб + -32 дб.
Реализация результатов. Результаты исследования использованы в НИОКР Сарапульским радиозаводом, НИИТЦ Федеральной Пофаничной Службы и в учебном процессе ИжГТУ в курсе «Основы теории радиотехнических систем».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:
VII Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации (Вильнюс, 1978г.).
LU Научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 1997г.).
XXXI научно-технической конференции (Ижевск, 1998г.).
4 Разработанные с участием автора устройства отмечались дипломами победителей Республиканского конкурса на звание «Лауреат премии НТО Удмуртии» (1980г., 1982г., 1983г.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, втом числе 13 авторских свидетельств.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав и заключения; изложена на 122 стр. печатного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 26 стр., список литературы из 120 наименований и приложения на 6 стр.
