Для последних десятилетий характерными являются стремительные темпы развития техники передачи дискретных сообщений. Это обусловлено, в первую очередь, значительным увеличением количества технических устройств и комплексов, функционирование которых предполагает оперирование. большими объемами дискретной информации. К ряду подобных систем, чрезвычайно актуальных в настоящее время, можно отнести системы мобильной и спутниковой связи, системы беспроводной связи между персональными компьютерами и компьютерными сетями, основными функциональными устройствами которых являются радиомодемы, системы пейджинговой связи, некоторые системы телеметрии, системы специального назначения и многие другие.
Динамичное развитие современной техники предъявляет весьма жесткие требования к радиосистемам, осуществляющим передачу дискретной информации. Внедрение энергосберегающих технологий, стремление к экономичности и миниатюризации аппаратуры, территориальное расширение зон ее функционирования вызывают необходимость построения систем с максимальной энергетической эффективностью. Высокая плотность заполнения рабочего диапазона частот радиоэфира заставляет при разработке систем передачи дискретной информации (СПДИ) уделять особое внимание их спектральной эффективности, в первую очередь, узкополосности [46−47,60,29] (соответствующие методы численной оценки внепо-лосных излучений определены в разработанной Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) «Рекомендации 328» МСЭ-Р [67]). Огромные объемы данных, циркулирующих в современных системах,' обусловливают высокие скорости передачи. Все сказанное определяет необходимость повышения энергетической эффективности создаваемых радиосистем и снижения уровня внеполосных излучений. В первую очередь, возможность успешного решения названных задач определяется выбором вида сигналов, используемых для передачи данных.
Одной из основных характеристик СПДИ является помехоустойчивость передачи информации, соответственно, важной проблемой, возникающей при их проектировании и разработке, является разработка алгоритмов приема и обработки сигналов заданного вида, позволяющих обеспечить необходимую достоверность принимаемой информации в различной помеховой обстановке. .
Теория и техника приема дискретных сигналов приобрела бурные темпы развития после публикации В. А. Котельниковым в 1940;50-х годах ряда основополагающих работ по теории потенциальной помехоустойчивости. Появившиеся в 50-е годы труды С. О. Райса, в первую очередь, посвященные приему многопозиционных сигналов,' устанавливали взаимную связь между теорией оптимального приема и теорией информации, у истоков которой стоял К. Е. Шеннон. Существенный вклад в дальнейшее развитие современной теории приема дискретных сигналов внесли работы T. Aulin, C.E.Sundberg, А. Витерби, Д. Д. Кловского, Б. Р. Левина,.С. Б. Макарова, В. И. Тихонова, Л. М. Финка, И. А. Цизсина, и ряда других отечественных и зарубежных ученых. ' ¦
В современных условиях при конструировании радиосистем все чаще возникает необходимость получения технических характеристик, которые не могут быть достигнуты с использованием ранее освоенных и ныне широко применяемых видов радиосигналов с амплитудной, частотной, фазовой и амплитудно-фазовой манипуляцией (соответственно, AM, ЧМ, ФМ и АФМ сигналы). В настоящее время ведется активный поиск и исследование новых сигналов, обладающих характеристиками, достаточными для удовлетворения высоких требований, предъявляемых к современным системам передачи информации. Весьма перспективными являются модулированные сигналы с непрерывной фазой (МНФ), которые привлекли внимание исследователей относительно недавно (первые упоминания появились в печати в середине 70-х годов [5]). Однако уже сейчас несложные разновидности этих сигналов включены в стандарт сотовой связи и в стандарт передачи данных армии США.
К настоящему времени опубликован ряд работ, посвященных сигналам МНФ (среди наиболее фундаментальных молено назвать [1−6,28] и ряд других), в которых нашли решение многие вопросы, связанные с исследованием сигналов МНФ и методов их приема. Однако в связи с тем, что формат МНФ достаточно сложен и имеет значительное количество степеней свободы, существуют малоисследованные или совсем неисследованные разновидности сигналов МНФ.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что она направлена на. решение проблемы повышения энергетической и спектральной эффективности систем передачи дискретной информации по радиоканалам в различной помеховой обстановке, в первую очередь, сотовых и спутниковых систем мобильной связи. Такие системы, в числе прочих применений, имеют исключительное значение для географически крупных регионов с низкой плотностью населения и большим количеством малых населенных пунктов, а также для. труднодоступных районов. В нашей стране к таковым относятся многие регионы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера. Учитывая, что количество используемых СПДИ и масштабы их применения неуклонно возрастают, улучшение их характеристик имеет суще-' ственное значение для современной техники связи и определяет направление ее дальнейшего развития и совершенствования.
Целью работы является исследование перспективной разновидности сигналов МНФ — сигналов с асимметричными циклически изменяющимися индексами модуляции (АЦИИМ), разработка методов их приема, а также исследование эффективности данных методов в различной помеховой обстановке.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задан:
1) Исследование энергетической эффективности сигналов АЦИИМ при наличии в канале связи флуктуационных помех и структурных помех основных типов.
2) Анализ спектральных свойств сигналов АЦИИМ.
3) Разработка программных алгоритмов исследования и оптимизации сигнальных форматов АЦИИМ, их применение для многопараметрической оптимизации сигналов АЦИИМ для определения форматов, обладающих одновременно выгодными спектральными и энергетическими свойствами.
4) Синтез оптимальныхкогерентного и квазикогерентного алгоритмов приема сигналов АЦИИМ.
5) Моделирование на ЭВМ работы алгоритмов приема сигналов АЦИИМ и анализ их помехоустойчивости в различной помеховой обстановке.
На защиту выносится теоретическое и экспериментальное обоснование использования в СПДИ предложенных сигнальных конструкций АЦИИМ и синтезированных алгоритмов их приема и обработки.
Основные научные положения, выносимые на защиту: i • сигналы АЦИИМ обладают более высокой энергетической эффективностью, чем j сигналы с традиционными видами модуляции. Энергетический выигрыш по сравнению с I сигналами ФМ-2 при использовании двоичных сигналов АЦИИМ приближается к 3 дБ (при |* глубине анализа 7 тактовых интервалов), а при использовании четырехпозиционных сигна-j лов АЦИИМ превышает 4 дБ (при глубине анализа 5 тактовых интервалов);
• использование сигналов АЦИИМ в каналах связи со структурными помехами позволяет повысить помехоустойчивость передачи информации по сравнению с сигналами с традиционными видами модуляцииi.
• • имеются оптимальные сочетания индексов модуляции, позволяющие одновременно добиться высокой энергетической и спектральной эффективности сигналов АЦИИМ;
• спектр сигнала АЦИИМ близок к спектру сигнала МНФ с постоянным индексом модуляции, равным усредненному значению, полученному от значений индексов, формирующих данный формат АЦИИМ;
• сигналы АЦИИМ с фазовыми импульсами (ФИ) более сложной формы по сравнению с сигналами с ФИ линейной формы имеют более быстро и плавно убывающий спектр и их демодуляторы менее чувствительны к флуктуациям начальной фазы сигнала.
Апробация работы. Основные положения диссертации с 1997 по 2004 гг. докладывались на десяти Межвузовских, Всероссийских и Международных научно-технических конференциях и научных сессиях:
1) 50-я, 51-я и 52-я Научно-технические конференции МИРЭА (Москва, 2001; 2002 и 2003 гг.) •.
2) 1-я Межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-97» (Москва, 1997 г.);
3) 3-я Всероссийская научно-практическая конференция (Ульяновск, 2001 г.);
4) LVII научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 2002 г.);
5) 7—я научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости ЭМС-2002 (Санкт-Петербург, 2002 г.);
6) 9-я Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003 г.);
7) Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию гражданской авиации России (Москва, 2003 г.);
8) Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 2004 г.).
Практическая ценность работы состоит в следующем:
• определено значительное количество оптимальных сигнальных форматов АЦИИМ, обладающих рядом преимуществ по сравнению .с сигналами с традиционными видами модуляции, применение которых в радиосистемах позволяет повысить помехоустойчивость передачи информации;
• даны практические рекомендации по выбору конкретных сигнальных форматов АЦИИМ для использования в разрабатываемой радиоаппаратуре в зависимости от требований к проектируемым СПДИ и особенностей их применения. Предложены правила выбора сигналов с учетом энергетических и спектральных критериев, а также по простоте формирования формата АЦИИМ;
• разработаны методы приема и обработки сигналов АЦИИМ, предложены структурные схемы приемников, реализующих полученные оптимальные алгоритмы, и даны рекомендации по построению таких схем;
• разработана методика компьютерного моделирования работы алгоритмов оптимального приема сигналов АЦИИМ, в том числе, алгоритма, осуществляющего слежение за случайной начальной фазой колебания. С использованием данной методики проведено моделирование приема сигналов АЦИИМ в различной помеховой обстановке.
Основные результаты работывнедрены в:
• Научно-исследовательском институте космических систем — филиале ГКНПЦ им. М. В. Хруничева в рамках реализации программы Союзного государства «Разработка и использование перспективных космических средств и технологий в интересах экономического и научно-технического развития Союзного государства» («Космос-СГ»);
• ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт «Комета» по итогам выполнения хозяйственных договоров между ФГУП «ЦНИИ «Комета» и Московским государственным институтом радиотехники, электроники и автоматики (техническим университетом);
• учебном процессе Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).
Научная новизна работы заключается в следующем:
• впервые для сигналов АЦИИМ проанализирована возможность применения приблизительных методов определения потенциальной помехоустойчивости приема в условиях как только белого шума, таки при дополнительном наличии в канале связи структурной помехи. В соответствии с результатом анализа данные методы позволяют обеспечить высо- -кую степень приближения при существенном снижении необходимых вычислительных затрат;
• создана новая’методика многопараметрической оптимизация сигнальных форматов АЦИИМ по энергетическим и спектральным характеристикам, которая легла в основу разработанного при подготовке диссертации программного обеспечения. С ее использованием впервые проведена оптимизация сигналов АЦИИМ, по результатам которой определено значительное количество новых двухи. четырехпозиционных сигнальных форматов, перспективных для применения в аппаратуре цифровой радиосвязи;
• впервые исследована помехоустойчивость приема сигналов АЦИИМ при наличии в канале связи структурных помех основных типов (гармонической, ретранслированной и фазоманипулированной помехи). По результатам анализа определена помеха (ретранслированная), оказывающая наиболее негативное влияние на качество приема сигналов АЦИИМ— .
• методами статистической радиотехники и оптимальной нелинейной фильтрации впервые в общем виде получены алгоритмы оптимального когерентного и квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ на фоне шумовой помехи и синтезированы частные структуры приемников при произвольных сочетаниях индексов модуляции и глубине анализа 3 тактовых интервала- •.
• на основе проведенного на ЭВМ математического моделирования работы синтезированных алгоритмов приема сигналов АЦИИМ показана их эффективность и устойчивость в широком диапазоне изменения отношения сигнал/шум и интенсивности флуктуаций начальной фазы.
По материалам диссертации опубликовано тринадцать работ.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и библиографического списка литературы, включающего 70 наименований.
5.4. Выводы.
Настоящий раздел посвящен вопросам моделирования на ЭВМ алгоритмов приема сигналов АЦИИМ и изучению влияния помеховой обстановки на качество их передачи. По полученным в настоящем разделе результатам моделирования можно сделать следующие выводы:
• синтезированные алгоритмы приема являются эффективными и позволяют в каналах связи с флуктуационными помехами обеспечить более высокое качество приема по сравнению с сигналами ФМ-2;
• зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для всех рассмотренных сигнальных форматов АЦИИМ имеют схожий вид;
• полученные оптимальные алгоритмы когернтного и квазикогерентного приема сохраняют устойчивость в широком диапазоне изменения отношения сигнал/шум и интенсивности флуктуаций начальной фазы;
• алгоритм квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ позволяет обеспечить эффективное слежение за неизвестной начальной фазой сигнала без значительного ухудшения уровня вероятности ошибочного приема;
• при увеличении интенсивности флуктуаций начальной фазы (при значениях параметра # Д > 0,01) степень ее негативного влияния на качество приема сигналов АЦИИМ резко возрастает;
• увеличение интенсивности флуктуации: начальной фазы приводит к заметному сокращению времени вхождения в режим слежения и к такому лее относительному повышению уровня апостериорной дисперсии в установившемся релсиме слежения (более чем в три раза на порядок значения параметра N (pQ, А);
• сигналы АЦИИМ с линейным ФИ более подверясены негативному влиянию флуктуаций начальной фазы, чем сигналы АЦИИМ со сложными формами.ФИ.
Заключение
.
В диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1) установлен факт наличия у сигналов АЦИИМ выгодных энергетических свойств. Выявлены сигнальные форматы АЦИИМ, позволяющие обеспечить энергетические выигрыши по сравнению с сигналом ФМ-2: до 2,88 дБ (для двоичных сигналов АЦИИМ при глубине анализа N = 7) и до 4,19 дБ (для четырехпозиционных сигналов АЦИИМ при N = 5);
2) по результатам исследования влияния структурных помех на качество передачи сигналов АЦИИМ установлено, что добавление в канал связи ПСП-ФМ помехи в наименьшей степени ухудшает помехоустойчивость передачи сигналов АЦИИМ. Влияние гармонической помехи на величину Ре оказывается более ощутимым, а ретранслированная помеха оказывает максимальное воздействие на качество передачи. Обнаружено, что среди двоичных сигналов АЦИИМ при L = 1 сигнальные форматы L ПКМНФ в наибольшей степени подвержены воздействию рассмотренных нефлуктуационных помех, а для двоичных сигналов L ПРМНФ увеличение L повышает степень подверженности качества работы СПДИ негативному влиянию структурных помех.
3) выявлены основные закономерности, характеризующие влияние параметров сигнала АЦИИМ (основания первичного алфавита, вида и длительности ФИ, значений индексов модуляции) на его спектральные свойства. Установлено, что в частотной области сигналы АЦИИМ с т = 2 и т = 4 характеризуются одинаковыми особенностями, поведения, причем сигналы с более сложными формами ФИ (L ПКМНФ, L ПСМНФ) по сравнению с форматами L ПРМНФ обладают рядом преимуществ, среди которых можно назвать наличие более гладких скатов спектра и существенно меньший уровень осцилляций вдали от центральной частоты. Обнаружено, что увеличение L приводит к сужению главного лепестка спектра сигнала АЦИИМ при одновременном заметном снижении уровня боковых лепестков и возрастании скорости убывания спектра вдали от центральной частоты. Установлено, что спектр сигнала АЦИИМ близок к спектру сигнала МНФ с постоянным индексом модуляции, равным усредненному значению, полученному от значений индексов, формирующих данный формат АЦИИМ;
4) обнаружены сочетания индексов модуляции, позволяющие добиться наиболее компактного вида спектра сигнала АЦИИМ при сохранении оптимальных значений показателей, характеризующих его энергетические свойства (достигнутое уменьшение ширины занимаемой полосы частот превышает 1,25 раза). В частности, для форматов АЦИИМ, значения энергетического выигрыша которых по сравнению с сигналом ФМ-2 приведены в п. 1, в результате вторичной оптимизации по критерию эффективной ширины спектра получены сочетания индексов модуляции, обеспечивающие, соответственно, оптимальные значения данного параметра 2AFgg^T^ = 2,64 и lAF^ggT^ = 2,59. По результатам проведенной двухпараметрической оптимизации сигналов АЦИИМ даны рекомендации по выбору для применения в разрабатываемой радиоаппаратуре конкретных сигнальных форматов в соответствии с предполагаемыми условиями эксплуатации СПДИ (помеховой обстановкой, загруженностью радиоэфира) и имеющимися ограничениями на сложность устройств формирования полезного сигнала;
5) с использованием методов статистической радиотехнкии и теории нелинейной фильтрации марковских непрерывно-дискретных процессов получены оптимальные алгоритмы когерентного и квазикогерентного приема сигналов АЦИИМ. Алгоритм когерентного приема получен для произвольной глубины анализа, а для случая N = 3 синтезированы структурные схемы оптимальных приемников и даны рекомендации по их реализации на современной цифровой базе, что позволяет получить компактное и рациональное техническое решение;
6) проведено моделирование на ЭВМ работы синтезированных алгоритмов приема сигналов АЦИИМ, по результатам которого оценено обеспечиваемое ими качество приема в различной помеховой обстановке. Подтверждена эффективность и устойчивость полученных алгоритмов в широком диапазоне значений отношения сигнал/шум и интенсивности флуктуаций начальной фазы;
7) исследовано влияние интенсивности флугстуаций неизвестной начальной фазы на характеристики качества приема сигналов АЦИИМ. К основным выявленным закономерностям, имеющим место при увеличении интенсивности флуктуаций.
Полученные при выполнении работы результаты свидетельствуют о перспективности сигналов АЦИИМ для применения в радиоаппаратуре передачи диеретной информцаии и могут быть использованы при проектировании и разработке СПДИ, имеющих широкую область применения.
В диссертации рассмотрен достаточно широкий круг вопросов, связанных с исследованием сигналов АЦИИМ и разработкой методов их приема, однако, в настоящее время в данной области научных знаний остается ряд перспективных направлений для дальнейших исследований. К их числу, в частности, относятся: оптимизация по энергетическим и спектральным свойствам сигнальных форматов АЦИИМ, имеющих отличные от рассмотренных в работе формы и длительности ФИ, синтез алгоритмов приема и получение структурных схем оптимальных приемников таких сигналов, разработка алгоритмов квазикогерёнтного приема сигналов АЦИИМ при одновременном наличии в канале связи флуктуационной и структурной помехи, решение залачи тактовой синхронизации и ряд других вопросов.
