В последнее время в мире существует устойчивая потребность в беспроводных системах передачи данных (СПД) различного назначения. Основными преимуществами таких систем являются высокая мобильность решений, построенных на основе беспроводных технологий, а также работа в местах, доступ в которые затруднён.
По использованию полосы радиочастот беспроводные СПД разделяют на широкополосные и узкополосные.
Широкополосные СПД используют для передачи сигналы с широкой полосой спектра. Как правило, это сети с большой пропускной способностью по передаче информации. Типовым примером таких систем являются беспроводные сети, построенные на стандартах IEEE 802.11 (Wi-Fi), 802.16 (WiMAX), GSM (GPRS) и т. п. Эти сети обеспечивают передачу данных со скоростью от десятков кбит/с до сотен Мбит/с в зависимости от условий и загруженности сети. В таких случаях для обеспечения высокой скорости передачи данных используют специальные методы расширения спектра радиосигналов, что приводит к необходимости использования широкой полосы радиочастот.
Узкополосные СПД характеризуются невысокой скоростью передачи данных (от десятков бит/с до десятков кбит/с), занимают ограниченную полосу частот и по месту размещения могут быть локальными или распределёнными. Примером распределённой системы является система передачи телеметрических данных от группы транспортных средств в диспетчерский центр с использованием существующих конвенциональных сетей. Локальные СПД внедряются на ограниченной территории и зачастую подвержены влиянию дополнительных помех (импульсных, селективных и пр.). Примером узкополосной локальной СПД является малогабаритная система сбора, передачи и обработки данных [75], разработанная на кафедре РПУ МЭИ (ТУ). Данная система обеспечивает беспроводную передачу данных от удалённых измерителей различных физических и химических процессов, расположенных в труднодоступных местах промышленных объектов.
Создание новой СПД требует в каждом случае использования свободных участков радиодиапазона. Выбор того или иного участка определяется особенностями и назначением конкретной системы, при этом освоение каждой области частот неизменно сопровождается необходимостью устранить взаимное влияние радиосредств [61,62] и жёстко регламентировать рабочие частоты.
Процесс совершенствования элементной базы приёмо-передающей аппаратуры, появление новых схемотехнических решений и внедрение новых технологических процессов производства позволяют осваивать более высокие частоты радиодиапазона (единицы — десятки ГГц) и размещать в нём различные передающие системы. Но реализация СПД на таких высоких частотах пока существенно дороже [6], чем на уже освоенных диапазонах частот (примерно до 2ГГц). Поэтому коммерчески доступные решения должны учитывать большую степень заполненности радиодиапазона другими СПД или системами связи.
Современные беспроводные СПД решают большое количество задач и используют при этом для передачи информации множество сигнальных форматов с различными энергетическими и спектральными параметрами. Применимость конкретного сигнального формата к решаемой проблеме определяется соответствием этих параметров условиям, в которых происходит передача и прием информации. К таким условиям относятся как характеристики используемых радиоканалов, регламентируемые международными и государственными стандартами, например [63,64], так и требования по электромагнитной совместимости радиосредств [42].
Кроме этого, в промышленных условиях существуют дополнительные воздействия на радиоканал в виде импульсных и селективных помех, имеющих значительные уровни, и влияние которых на процесс передачи данных необходимо учитывать.
В связи с этим одной из важнейших проблем, стоящих перед разработчиками новых радиосистем, является поиск и выбор радиосигналов, наилучшим образом отвечающих требованиям к этим системам. Параметры и свойства выбранного радиосигнала во многом предопределяет уровень эффективности функционирования самой радиосистемы и степень ее мешающего воздействия по отношению к сторонним радиосредствам [29].
Процесс преобразования подлежащих передаче сообщений в сигнал, который может быть передан по каналу связи, называется модуляцией [9]. Модуляция состоит в изменении по определённому закону таких параметров несущего колебания как амплитуда, частота и фаза, причём возможно изменять как один из параметров, так и несколько одновременно.
Основными требованиями при проектировании систем связи являются:
• увеличение скорости передачи данных;
• уменьшение ширины спектра сигнала;
• увеличение помехоустойчивости приёма.
На практике эти требования являются противоречивыми: увеличение скорости передачи при сохранении узкого спектра сигнала невозможно без снижения помехоустойчивости [50]. Существуют различные виды модуляций сигнала, каждый из которых дает выигрыш по определенному требованию, но при этом ухудшает другие.
Также при проектировании беспроводной СПД могут быть определены дополнительные требования к выбору сигнала: устойчивость к импульсным и селективным помехам, к нелинейности усилительных каскадов и др. Поэтому задача выбора наиболее эффективного вида модуляции сигнала сводится к задаче комплексной оценки эффективности различных видов модуляций по их различным свойствам.
При наличии определенных требований, количественных или качественных, к проектируемой системе передачи данных наиболее эффективный вид модуляции, который будет наилучшим образом отвечать заданным требованиям, условимся называть оптимальным.
Все методы модуляций можно разделить на два основных типа: аналоговые и цифровые методы. Цифровые методы модуляций обладают рядом преимуществ над аналоговыми методами: высокая помехоустойчивость, простота формирования и обработки.
Основы современной (статистической) теории радиосвязи были заложены в фундаментальных работах таких крупнейших учёных как
В.А. Котельников [23] и К. Шеннон [55] и получили дальнейшее развитие в работах Р. Райса, JIM. Финка, А. Г. Зюко, Д. Д Кловского, A.A. Харкевича, Э. Д. Витерби, Р. Фано, Дж. Возенкрафта, Р. Галлагера [к примеру, 51,46,37,21,8,53,7] и др. В этих работах в достаточной мере отражены свойства, исследованы спектры и рассчитана помехоустойчивость приёма сигналов из следующих классов сигналов с цифровыми методами модуляции:
— класс амплитудно-манипулированных сигналов (AM);
— класс фазоманипулированных сигналов (ФМ);
— класс частотно-манипулированных сигналов (4M);
— класс сигналов с непрерывной фазой (СНФ);
— класс сигналов со смешанной амплитудно-фазовой модуляцией (KAM);
— класс сигналов со многими поднесущими (СМП).
Позднее в работах Прокиса Дж [39], Скляра Б. [45], Феера К. [49], Волкова Н. [9] и др. приводится сравнительный анализ сигналов с различными способами модуляции. Существуют и другие работы, в которых рассматриваемые способы модуляции изучаются подробно, например [60]. Однако такой анализ выполнен только по основным свойствам сигналов, зачастую на качественном уровне и не отражает многостороннего сравнения свойств сигналов при различных воздействующих факторах. В известных автору источниках и периодических изданиях не обнаружено подобного многостороннего сравнения.
Таким образом, при разработке новой беспроводной системы передачи данных выбор эффективного сигнала разработчиком представляется необъективным, в особенности в условиях многих факторов.
Решение данной проблемы видится двумя путями: 1. В случае, если количественные значения воздействующих на сигнал факторов известны, то разработчику следует определить интересующую характеристику сигналов (к примеру, помехоустойчивость приёма), получить её количественные значения для каждого сигнала и осуществить выбор сигнала по минимальному (или максимальному) её значению. Количественные значения выбранной характеристики необходимо получить либо аналитическим путём, либо путём численного имитационного моделирования. Использование моделирование представляется более рациональным, так как аналитический подход при наличии многих воздействующих факторов будет либо крайне сложен, либо невозможен.
2. В случае, если количественные значения воздействующих на сигнал факторов неизвестны, то следует определить характеристики сигналов (показатели качества), отражающие результат воздействия различных факторов, и обратиться к формализованной процедуре многокритериального выбора для максимально объективного выбора наиболее эффективного сигнала.
Оба этих пути рассматриваются в данной работе.
Цели и задачи диссертации
Цель данной работы состоит:
1. В сравнительном исследовании и получении количественных оценок характеристик сигналов с различными цифровыми методами модуляции при воздействии таких факторов как шумовая, импульсная и селективная помехи, нелинейность усилительных каскадов и др.
2. В разработке эффективной методики многокритериального сравнения сигналов по их различным характеристикам и выборе оптимального (наилучшего) сигнала при заданных требованиях построения СПД. Данная методика призвана повысить объективность в выборе оптимального метода модуляции сигнала.
3. В разработке эффективного инструмента в виде численной имитационной модели СПД для получения оценки помехоустойчивости приёма сигналов при одновременном воздействии различных факторов.
4. В сравнительном исследовании свойств сигналов с одиночной и двойной модуляцией, а также определении оптимального сигнала для разработанной на кафедре РПУ «НИУ «МЭИ» малогабаритной системы сбора, приёма и обработки данных (МСПОД).
Уточнение целей и формулировка задач для исследования приведено в
разделе 1.6 настоящей работы.
В настоящее время персональные компьютеры обладают достаточными вычислительными мощностями, поэтому выполнять исследования целесообразно при помощи компьютерного численного имитационного моделирования. Для этого разрабатывается имитационная модель прохождения сигнала через тракты беспроводной СПД, включая такие типовые блоки как: нелинейности, ограничители, фильтры, канал связи и пр.
Как уже было упомянуто выше, построение специализированной системы связи (передачи данных) в условиях сильного уплотнения радиоканала другими системами заставляет обратить пристальное внимание на класс узкополосных сигналов (видов модуляций), в которых спектр наиболее компактен или спектральная эффективность которых наиболее высока.
Сигнал называется узкополосным [9], если для него выполняется следующее условие: п/ш0 «где П — ширина полосы, занимаемой спектром сигнала, а со0 — его средняя или несущая частота. Обычно основная мощность таких сигналов (90−99%) сосредоточена в пределах полосы спектра шириной (:2—4)/7s, где Ts — длительность символьного интервала. К таким сигналам могут относиться сигналы из классов AM, ФМ, 4M, KAM, СНФ.
Широкополосные сигналы занимают существенно большую полосу частот и обычно образуются из узкополосных сигналов, которые затем модулируются вторично цифровой последовательностью с высокой скоростью в соответствии с выбранным методом.
В данной работе рассматриваются узкополосные сигналы для специализированных локальных систем передачи данных.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы, известные из теории цепей и сигналов, общей теории радиосвязи, теории вероятностей, численного компьютерного моделирования, теории спектрального анализа, вычислительной математики, теории случайных процессов и математической статистики, многокритериального выбора.
Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
1. Разработаны алгоритмы и создан комплект программ имитационной модели типовой СПД. Данный комплект является эффективным инструментом, который впервые позволил оценить одновременное влияние ряда факторов на вероятность ошибочного приёма.
2. Разработана эффективная методика сравнения сигналов с различными способами модуляции по их различным свойствам (показателям качества) и при наличии нескольких правил сравнения (многокритериальность) — на основе адаптивной комбинированной БпЬ-постановки. Впервые теория многокритериального выбора использована для решения задачи определения наиболее подходящего способа модуляции сигнала при проектировании СПД с заданными характеристиками.
3. Выявлены основные отличия сигналов с двойным (цифро-аналоговым) способом модуляции от сигналов с одиночным (цифровым) способом модуляции, определены области их применений. Разработаны рекомендации.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием принятых и обоснованных теоретических методов, а также достаточным соответствием количественных результатов по помехоустойчивости приёма большинства рассматриваемых сигналов в условиях воздействия аддитивного белого гауссовского шума, полученных при помощи имитационного моделирования и приведённых в опубликованных аналитических расчётах таких известных учёных и специалистов как Скляр Б., Прокис Дж., Феер К., Волков Н. и др.
Практическая ценность работы. Практические результаты диссертационной работы могут быть использованы для оценки помехоустойчивости приёма сигналов в условиях интенсивных импульсных и селективных помех, а также для учёта других негативных воздействующих факторов в локальных СПД.
Использование результатов диссертационной работы на этапе проектирования СПД позволяет обоснованно выбрать сигнал с цифровым законом модуляции при одновременном учёте основных воздействующих на процесс передачи факторов, что практически неосуществимо аналитическим путём ввиду его высокой сложности.
В диссертации разработан и обсуждается банк сигналов с современными видами цифровой модуляции (модуляторы и демодуляторы).
Использование результатов работы. Результаты диссертационной работы вошли в два госбюджетных НИР, выполненных на кафедре Радиоприёмных устройств ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», а также использованы в виде рекомендаций для улучшения характеристик диагностического беспроводного информационно-измерительного комплекса ООО НПЦ «Элемент» и в учебном процессе кафедры Радиоприёмных устройств «НИУ «МЭИ», что подтверждается соответствующими Актами.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 2-й международной научной конференции «Современные информационные системы. Проблемы и тенденции развития.» (Туапсе, 2007 г.), X международной научно-практической конференции компании National Instruments (Москва, 2011 г.), 62-й Научной сессии РНТОРЭС, посвященной Дню радио (Москва, 2007 г.), научном семинаре РНТОРЭС, Одиннадцатой и Двенадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2005 г и 2006 г.).
Публикации. Общее число печатных работ по теме диссертации — 9, из них: статей — 3 (в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ) — тезисов докладов на научно-технических конференциях — 6.
8. Основные результаты работы опубликованы в [65−75] и прошли апробацию на Одиннадцатой и двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2005 г и 2006 г.) — 62-й Научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2007 г.) — научном семинаре НТОРЭС- 2-й международной научной конференции
Туапсе, 2007 г.), X международной научно-практической конференции National Instruments (Москва, 2011 г.).
9. В дальнейшем для расширения круга рассматриваемых вопросов разработанная компьютерная имитационная модель может быть дополнена другими сигналами, могут быть введены дополнительные, влияющие на достоверность передачи факторы (синхронизация, многолучёвость и т. д.). Также представляет интерес изучение помехоустойчивости приёма сигналов с взаимной интерференцией символов [25−27] при помощи имитационной модели.
10.Практическое применение разработанных программных модуляторов и демодуляторов сигналов целесообразно в случае использования их вместо таких же реальных блоков аппаратуры связи при исследовательских или штатных рабочих режимах систем передачи данных. К примеру, достаточно будет при помощи внешней аппаратуры принять реальный сигнал и затем его оцифровать на компьютере при помощи модуля АЦП, а задача демодуляции сигнала и его анализа будет выполнена разработанными программами на N1 Lab VIEW.
Практическое применение результатов, полученных в данной работе, для выбора оптимального сигнала при разработке СПД состоит в следующем:
1. В случае, если количественная оценка параметров воздействий (уровень АБГШ, импульсной и селективной помех, тип нелинейности усилительных каскадов и др.) разработчику известны, то следует воспользоваться разработанной имитационной моделью для получения количественных оценок вероятности ошибочного приёма и осуществить выбор оптимального сигнала по критерию наименьшего значения вероятности.
2. В случае, если разработчик не обладает информацией о степени воздействий, то ему следует определить интересующие воздействия (или показатели качества сигнала), при помощи имитационной модели получить их количественные оценки, сформулировать критериальную постановку и при помощи предложенной методики осуществить выбор оптимального сигнала. При этом разработчик может оценивать и уточнять результаты на каждом этапе выбора.
Заключение
Приведённый в работе обзор литературы и периодических изданий показал, что в настоящее время отсутствуют исследования помехоустойчивости приёма сигналов с различными цифровыми способами модуляции, учитывающие одновременное воздействие таких факторов как АБГШ, импульсные и селективные помехи, АЧХ и нелинейности трактов передачи и др.
Цель работы заключалась в недостающем исследовании, призванным создать эффективный механизм для многокритериального сравнения сигналов и изучения их свойств, а также разработке методики нахождения оптимальных сигналов при различных требованиях к системе передачи данных.
В процессе решения поставленной задачи получены следующие результаты:
1. Впервые разработана имитационная модель типовой системы передачи данных по радиоканалу, учитывающая такие воздействующие факторы как нелинейность усилительных каскадов, частотно-зависимые характеристики каскадов, аддитивные помехи в канале связи (АБГШ, импульсная, селективная) и позволяющая получить количественную оценку помехоустойчивости приёма сигналов. Модель обеспечивает оптимальный приём сигналов при шумовой помехе, что подтверждается высокой степенью совпадения количественных результатов по битовой вероятности ошибочного приёма для рассматриваемых сигналов, полученных при помощи имитационного моделирования и приведённых в опубликованных аналитических расчётах.
2. Разработаны алгоритмы и создан пакет прикладных программ при помощи объектно-ориентированного языка программирования Lab VIEW фирмы National Instruments, реализующих разработанную модель.
3. Приведён обоснованный выбор и разработан банк модуляторов и демодуляторов следующих сигналов: ФМ-4, ОФМ-4, я/4-ОФМ-4, КАМ-4,
KAM-16, ЧМ-4 1/T, ЧМ-4 ½Т, СМП-4, СНФ-4 Lin 0.5, СНФ-4 Lin 0.25, СНФ-4 Sin 0.5, СНФ-4 Sin 0.25, ММС, ГММС 0.3 и ГММС 1000.
4. Для оценки свойств сигналов с различными цифровыми методами модуляции были введены следующие показатели качества: помехоустойчивость приёма при воздействии АБГШ, эффективность использования полосы спектра, коэффициент прямоугольности формы спектра, устойчивость к влиянию нелинейности входных цепей, и к воздействию импульсных и селективных помех, потенциальная выгода при увеличении алфавита сигнала. По каждому ПК для сигналов были получены количественные оценки, определены оптимальные сигналы: сигналы ФМ-4, КАМ-4, ММС, ГММС 1000 и СМП-4 обладают наибольшей помехоустойчивостью приёма при воздействии АБГШсигнал СНФ Lin 0,25 и СМП-4 обладают наибольшей эффективностью использования полосы: первый сигнал имеет непрерывную фазу и малый индекс модуляции, второй — плотное расположение поднесущихсигналы ЧМ-4 1/Т, СМП-4 и СНФ Lin 0,5 имеют наилучший коэффициент прямоугольности формы спектра, при этом с увеличением количества поднесущих частот коэффициент прямоугольности сигнал СМП будет улучшатьсясигналы СНФ-4 Sin 0,25, ГММС 1000 и ОФМ-4 обладают наибольшей устойчивостью к влиянию нелинейности входных цепейсигнал ММС обладает наибольшей устойчивостью к импульсной и селективной помехесигналы СНФ-4 обладают наибольшей потенциальной выгодой при увеличении алфавита сигнала.
5. В результате проведённого многокритериального сравнения исследуемых сигналов:
Впервые разработана методика определения оптимального сигнала при заданных условиях задачи построения системы передачи данных на основе адаптивной процедуры многокритериального выбора -«^¿—постановки. Особенность и наибольшее преимущество данной методики — это сравнение сигналов одновременно по многим показателям, что является практически неосуществимой задачей при аналитическом подходе.
Сформулированы три типовые задачи построения систем передачи данных, определены их условия, осуществлено упорядочивание сигналов и выявлены оптимальные сигналы для каждой задачи. При этом решением приведённых задач является не только единственный, наилучшим образом удовлетворяющий условиям сигнал, но также ряд всех сигналов, выстроенный в порядке убывания их соответствия задаче.
Задача 1 была сформулирована следующим образом: выбор оптимального сигнала в отсутствие специальных требований к проектируемой СПД. Для решения данной задачи были введены дополнительные обобщающие критерии — условные Стоимость и Эффективность. Методом экспертных оценок были определены их числовые значения для каждого ПК. Решением данной задачи является сигнал ММС, а следующим по предпочтению — сигнал СМП-4. При использовании более гибкого подхода и введения критерия с уступками оптимальным был также определён сигнал ММС, но следующим по предпочтению определены сигналы ЧМ-4.
Задача 2 была сформулирована следующим образом: определение оптимального сигнала в условиях сильных импульсных и селективных помех. Сигнал ММС был определён как оптимальный для данной задачи.
Задача 3 была сформулирована следующим образом: определение оптимального сигнала в условиях уплотнения полосы. Сигнал СМП-4 был определён как оптимальный для данной задачи.
На примере приведённых задач показано практическое применение разработанной методики определения оптимальных сигналов.
6. Определены практическая ценность имитационной модели и методики выбора, позволяющие выявить сигнал с оптимальным цифровым способом модуляции при воздействии одновременно нескольких влияющих факторов на примере СПД с условиями, приближенными к реальным значениям:
Обоснован выбор значений следующих воздействующих факторов: воздействие нелинейности выходных каскадов передатчика вида Tanh{, 96х) как наиболее соответствующая по форме результирующей проходной характеристике выходных двухтактных усилительных каскадов, работающих в режиме AB, что соответствует отклонению характеристики от линейной формы на 6дБвоздействие АЧХ и ФЧХ входного фильтра приёмника, выполненного в виде простого параллельного колебательного контуравоздействие в канале связи индустриальных помех типа импульсной помехи со случайным изменением уровня в диапазоне 0.30 раз относительно уровня сигналавоздействие в канале связи помехи типа АБГШ с двумя значениями уровня шума 7V=120 и N=160.
Проведено численное моделирование и получены оценки помехоустойчивости приёма сигналов при одновременном воздействии указанных факторов, результаты сравниваются с результатами помехоустойчивости приёма для АБГШ.
Сигнал ММС определён как оптимальный при одновременном воздействии факторов. Следующим по предпочтению является сигнал ФМ-4. Наименее подходящим для рассмотренных условий определён сигнал KAM-16.
Сформулированы свойства сигналов и их поведение при изменении состава воздействующих факторов.
7. Определены целесообразность и условия применения одиночной (цифровой) и двойной (цифро-аналоговой) модуляции:
Сформулированы условия целесообразности применения схемы с двойной модуляцией.
Рассмотрен метод формирования сигналов с двойной модуляцией, при котором сначала формируется сигнал с выбранным цифровым способом модуляции, затем этот сигнал вторично модулируется по закону аналоговой частотной модуляции.
Разработаны имитационная модель и алгоритмы программы, осуществляющие схему с двойной модуляцией сигнала. При этом демодулятор выполнен по квадратурно-дифференциальной схеме. Показаны особенности применения двойной модуляции в имитационной модели.
Впервые определены и сформулированы отличия в помехоустойчивости приёма сигналов с одиночной и двойной модуляцией:
• помехоустойчивость приёма сигналов ДМ ниже помехоустойчивости приёма сигналов ОМ при воздействии шумовой помехи типа АБГШ;
• введение двойной модуляции соотношение помехоустойчивости приёма сигналов в целом не нарушает, исключение составляют сигналы СМП-4, ЧМ-4 1/Т и KAM-16;
• помехоустойчивость приёма сигналов СМП-4 ДМ и KAM-16 ДМ по сравнению с сигналами СМП-4 и KAM-16 ухудшается сильнее, чем для остальных сигналов, что связано с наличием амплитудной модуляции сигналов.
Определена практическая ценность применения имитационной модели с двойной модуляцией сигнала на примере предложения оптимального сигнала для малогабаритной системы сбора, обработки и передачи данных, разработанной на кафедре РПУ МЭИ (ТУ) в рамках выполнения НИР [74, 75]. Оптимальными для данной системы определены сигналы ММС ДМ и ЧМ-4 ДМ.
