авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование влияния речевых кодековна качество передачи цифровых qam-сигналовпо телефонным каналам

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Никитин Дмитрий Александрович

Исследование влияния речевых кодеков
на качество передачи цифровых QAM-сигналов
по телефонным каналам

05.13.13 – Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича на кафедре
Многоканальных систем передачи

Научный руководитель – д.т.н., проф. С. А. Курицын

Официальные оппоненты: д.т.н., в.н.с. С. И. Лопатин,

к.т.н., ст.н.с. К. Ф. Астапкович

Ведущее предприятие – ОАО НПП «Радуга»

Защита диссертации состоится « »......................2009 г. в...... час. на
заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Санкт-Петербургском
государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, СПб, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью
учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « ».....................2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент В. Х. Харитонов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Современный этап развития отрасли связи характеризуется постоянным ростом интернет-трафика. В настоящее время услуга передачи данных через сеть Интернет является столь же необходимой, как и телефония.

Для организации цифровых каналов доступа в Интернет используются различные технологии: xDSL, Ethernet, передача данных в сетях мобильной связи 2-го и 3-го поколений. Эти технологии позволяют достичь высокой пропускной способности и значительно способствуют удовлетворению потребностей клиентов. Однако для их внедрения требуется модернизация сети связи и установка дорогостоящего оборудования.

Вместе с тем, на тех участках сети, где подобная модернизация еще не произведена, наиболее доступной, а во многих случаях – единственно возможной остается технология dial-up – передача данных по существующим телефонным каналам с помощью модема. Особенно востребованным модемный доступ остается на ведомственных сетях связи (например, на сетях энергетиков), а также в удаленных и малонаселенных районах России.

Наряду с доступом в Интернет, передача цифровых сигналов по телефонным каналам используется при факсимильной связи, также имеющей огромное значение для деятельности предприятий и организаций.

Передача данных по аналоговым каналам может осуществляться с использованием как одномерных символов амплитудно-импульсной модуляции (PAM-технология), так и двумерных символов квадратурной амплитудной модуляции (QAM-технология). МСЭ рекомендует использовать для передачи данных по каналам ТЧ только двумерные символы QAM-технологии.





Российская телефонная сеть общего пользования содержит как аналоговые, так и цифровые участки. Для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму могут использоваться различные методы кодирования – временные, частотные, параметрические. Однако наилучшими с точки зрения прозрачности для неречевых сигналов являются методы временного кодирования. Из всех методов кодирования во временной области наибольшее распространение в цифровой телефонии получили методы импульсно-кодовой модуляции с квазилогарифмической шкалой квантования (рек. МСЭ-Т G.711) и адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (рек. МСЭ-Т G.726).

При аналого-цифровом преобразовании линейного сигнала модема последний подвергается специфическим искажениям, которые приводят к возрастанию вероятности ошибки.

В научной периодической печати регулярно появляются материалы, посвященные возможностям различных речевых кодеков по передаче неречевых сигналов (в частности, сигналов модемов и факс-аппаратов). В этой области следует отметить работы таких авторов, как I. Kalet, J.E. Mazo, B.R. Saltzberg, K. Pahlavan, J. L. Holsinger. Проблемам передачи цифровых сигналов по аналоговым каналам посвящено множество работ, в частности, таких авторов, как Дж. Возенкрафт, И. Джекобс, Л. М. Финк, С. А. Курицын, Б. Скляр, D. Draji, D. Baji, G. Ungerboek и многих других.

Однако ряд проблем, касающихся передачи сигналов QAM по телефонным каналам, в том числе влияние кодека с адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (АДИКМ) на вероятность ошибки, в научно-технической литературе освещен недостаточно.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является получение оценок минимально достижимых значений вероятности ошибки при передаче цифровых QAM-сигналов по каналу, оборудованному ИКМ- и АДИКМ-кодером, для использования при проектировании устройств и систем связи.

Для достижения указанной цели в диссертации решаются следующие
задачи:

  1. Анализ статистических и частотных свойств двумерных цифровых сигналов QAM-технологии и представление его в пространстве состояний.
  2. Построение модели, описывающей передачу данных по телефонному каналу, оборудованному кодеком ИКМ с квазилогарифмической шкалой квантования, и оценка достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека ИКМ.
  3. Разработка методики расчета минимально достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в канале кодека АДИКМ с квазиоптимальным предсказателем нерекурсивного типа, и расчет искомой вероятности.
  4. Разработка алгоритма оптимальной адаптивной экстраполяции сигнала QAM, исследование его эффективности и оценка достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека АДИКМ с оптимальным экстраполятором.
  5. Разработка программ имитационного моделирования процесса передачи данных по телефонному каналу, имеющему в своем составе кодек АДИКМ.

Методы исследований. При выполнении исследований были использо­ва­ны методы теории цифровой обработки сигналов, теории оптимальной линейной фильтрации дискретных сигналов, теории адаптации, теории цепей и сигналов, теории информации, теории вероятностей, методы математической статистики и машинного моделирования.

Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающи­ми научной новизной, являются:

  1. Полученные оценки достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека ИКМ.
  2. Методика расчета минимально достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в канале кодека АДИКМ с квазиоптимальным предсказателем нерекурсивного типа
  3. Полученные оценки достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека АДИКМ с квазиоптимальным нерекурсивным предсказателем.
  4. Полученные оценки достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека АДИКМ с оптимальным экстраполятором.

Практическая ценность. В диссертационной работе получены оценки минимально достижимой вероятности ошибки при передаче цифровых QAM-сигналов по телефонному каналу, оборудованному кодеками ИКМ или АДИКМ.

Разработан пакет программ для моделирования прохождения сигнала QAM по каналу с ИКМ- или АДИКМ-кодеками.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании систем связи, предусматривающих передачу цифровых сигналов по телефонным каналам, оборудованным речевыми кодеками, для обоснованного выбора сигнального созвездия и оценки достижимой скорости передачи данных.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций и на факультете повышения квалификации работников связи.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций. Основные результаты работы опубликованы в 11 работах, в том числе 1 – в журнале «Цифровая обработка сигналов», входящем в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Двумерный цифровой сигнал QAM-технологии представляет собой нестационарный импульсный случайный процесс, который может быть приближенно представлен как эргодический случайный процесс и описан в виде уравнения состояния и модели наблюдения.
  2. При числе точек в сигнальном созвездии до 256 шумы квантования при ИКМ-кодировании сами по себе не приводят к ошибкам на приеме. Для сигналов QAM-256 неравномерное квантование линейного сигнала приводит примерно к двухкратному возрастанию вероятности ошибки, что соответствует потере помехозащищенности на 0,8…1 дБ.
  3. Разработанная методика позволяет рассчитать минимально достижимую вероятность ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в канале кодека АДИКМ с квазиоптимальным предсказателем нерекурсивного типа. Максимально достижимый энергетический выигрыш при использовании данного типа предсказателя составляет величину порядка 1,6, что соответствует увеличению помехозащищенности на 2 дБ по сравнению с квантованием самого сигнала с тем же числом уровней, что и разностного.
  4. Разработанный алгоритм оптимальной адаптивной экстраполяции сигнала QAM позволяет получить максимальный энергетический выигрыш среди всех возможных линейных алгоритмов. Максимально достижимый энергетический выигрыш составляет величину порядка 1,8, что соответствует увеличению помехозащищенности на 2,6 дБ по сравнению с квантованием самого сигнала.
  5. Результаты имитационного моделирования процесса передачи данных по телефонному каналу с кодеком АДИКМ, выполненного с помощью разработанной программы, подтверждают правильность результатов, полученных в результате расчета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

Работа содержит 150 страниц текста, 36 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 87 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель и задачи исследований, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе диссертации рассмотрены частотные и статистические свойства двумерных цифровых сигналов QAM-технологии. Показано, что двумерный цифровой сигнал QAM является нестационарным импульсным случайным процессом. Выявлены условия, при которых сигнал становится циклически стационарным.

Показано, что если информационные параметры статистически независимы, спектральная плотность средней мощности двумерного сигнала в точности равна энергетическому спектру одного информационного символа.

Предложена математическая модель двумерного цифрового сигнала в виде эргодического случайного процесса, представляющего собой отклик линейной системы, квадрат АЧХ которой равен спектральной плотности средней мощности цифрового сигнала, на возбуждающий сигнал в виде белого шума.

Полученная модель распространена на случай дискретизированного двумерного сигнала и представлена в пространстве состояний.

Двумерный цифровой сигнал определяется выражением:

= (1)

=,

где xCi, xSi – случайные информационные символы; 0 – несущая частота, aC(t) и aS(t) – одномерные сигналы косинусного и синусного подканалов, соответственно; g(t) – единичный элемент, определяющий форму спектра; t – тактовый интервал.

Информационные параметры представляют собой двумерную дискретную случайную величину, возможные значения которой принадлежат конечному L-элементному множеству , k=0, …, (L–1). Последовательность двумерных символов полагается стационарной.

Для информационных символов справедливо:

< xCi > = 0; < xSi > = 0; < xCixСj > = < xSixSj > = x2ij; < xCixSj > = 0, (2)

где ij – символ Кронекера.

Для дисперсии справедливо:

. (3)

Доказано, что двумерный цифровой сигнал, определяемый согласно (1), является нестационарным случайным процессом.

Если f0t=k, kN, то есть отношение несущей частоты к частоте следования символов – натуральное число, то процесс является циклически стационарным с периодом t.

Спектральная плотность средней мощности двумерного цифрового сиг­нала:

S() = . (4)

Если символы имеют единичную амплитуду, то есть g(0) = 1, то средняя мощность QAM-сигнала:

<s2(t)> = . (5)

Для различных значений M c учетом требований рекомендации МСЭ–Т V.2 получены значения Um.

Несмотря на то, что двумерный цифровой сигнал является нестационарным случайным процессом, его средняя мощность практически постоянна. Это создает предпосылки к тому, чтобы приближенно считать двумерный сигнал эргодическим случайным процессом с нулевым средним, среднеквадратическим значением <s2(t)> и спектральной плотностью средней мощности S(). Эргодический случайный процесс может быть представлен как выходной сигнал линейной системы, на вход которой подается белый шум.

В настоящее время большинство используемых телекоммуникационных устройств является цифровыми. При преобразовании непрерывного сигнала в цифровую форму производится его дискретизация. Таким образом, можно осуществить переход к дискретному времени s(t) s(it) = s(i), а для анализа применять аппарат теории цифровой обработки сигналов.

При решении ряда задач (в частности, оптимальной калмановской фильтрации и экстраполяции) удобно использовать модель сигнала, заданную в пространстве состояний. При использовании пространства состояний моделируемый сигнал s(i) описывается в виде совокупности двух уравнений: уравнения состояния

X(i+1) = AX(i) + B(i) (6)

и модели наблюдения

s(i) = CTX(i) + D(i), (7)

где X – вектор переменных состояния; A – матрица перехода; B, C – постоянные векторы; D – скаляр; (i) – порождающий процесс, представляю­щий собой белый шум.

Вероятность ошибки двумерного символа:

Pош = Pош С + PошS – Pош С PошS Pош С + PошS.

Вероятность ошибки одномерного сигнала:

=, (8)

где – интеграл вероятностей.

Во втором разделе создана структурная схема системы передачи данных по телефонному каналу, оборудованному кодеком ИКМ по рекомендации G.711. Показано, что воздействие квазилогарифмического кваантования на сигнальное созвездие QAM-сигнала на входе решающего устройства может быть представлено как шум, имеющий аддитивную и мультипликативную компоненты.

Проведен анализ известных результатов экспериментальных исследований эффектов квантования в системах QAM-технологии. Обоснована необходимость получения результатов, не зависящих от конкретной конфигурации лабораторного оборудования. Выбран метод исследования – имитационное моделирование. Создана имитационная модель прохождения QAM-сигнала по каналу, оборудоанному ИКМ-кодеком.

Схема передачи данных по телефонному каналу приведена на рис. 1.

 Схема системы передачи данных -9

Рис. 1. Схема системы передачи данных

Оконечное оборудование данных (ООД) генерирует последовательность двумерных информационных символов. Модулятор осуществляет согласование сигнала с характеристиками канала, для чего формирует из последовательности информационных символов QAM-сигнал вида (1). Сформированный непрерывный линейный сигнал поступает на вход абонентской линии. Кодер осуществляет аналого-цифровое преобразование сигнала s(t), а декодер – цифро-аналоговое. На выходе декодера присутствует сигнал s(t), который отличается от сформированного модулятором сигнала s(t) из-за искажений, вызванных квантованием. Этот сигнал поступает на демодулятор, который осуществляет когерентное детектирование сигнала s(t) и формирует оценку переданного двумерного цифрового сигнала. Принятый двумерный цифровой сигнал поступает на приемное оконечное оборудование данных.

При дискретизации сигнал преобразуется в последовательность отсчетов s(k+), где – период дискретизации, а представляет собой случайную величину, равномерно распределенную на интервале [–/2; /2], поскольку частота дискретизации не находится в целочисленном соотношении ни со скоростью следования символов, ни с несущей частотой. Затем каждый отсчет подвергается логарифмическому квантованию, причем ошибка квантования k-го отсчета QAM-сигнала является случайной величиной с нулевым средним и дисперсией, пропорциональной квадрату амплитуды отсчета:

. (9)

В этом случае комплексный шум на входе решающего устройства:

, (10)

где nk – ошибка квантования k-го отсчета QAM-сигнала; – низкочастотный комплексный прототип импульсной характеристики объединенного фильтра, включающего сглаживающий ФНЧ декодера, абонентскую линию направления приема и адаптивный корректор приемника.

Пусть – низкочастотный комплексный прототип импульсной характеристики объединенного фильтра, включающего ФНЧ передачи, абонентскую линию направления передачи и корректирующий антиэлайсинговый ФНЧ перед дискретизатором. Зафиксируем в сигнальном созвездии точку . Если повернуть координатные оси так, чтобы ось проходила через рассматриваемую точку сигнального созвездия, шум квантования раскладывается на радиальную и тангенциальную составляющие. В случае, когда АЧХ фильтров обладают четной симметрией, а ФЧХ обладают нечетной симметрией относительно 0 (характеристики и являются чисто действительными), радиальная и тангенциальная составляющие шума квантования оказываются некоррелированными. Для точки сигнального созвездия дисперсии радиальной и тангенциальной составляющих шума квантования будут, соответственно:

, (11)

, (12)

где z(t) = h2(t)*f 2(t).

При действительных h(t) и f(t) шум квантования распределен по эллиптическому закону, причем главная ось эллипса лежит на прямой, соединяющей начало координат с текущей сигнальной точкой. Обычно мощность радиальной составляющей примерно в 3 раза больше мощности тангенциальной составляющей.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.