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 |

Использование ортогонального кодирования для повышения помехоустойчивости систем передачи информации

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

РАБИН Алексей Владимирович

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОРТОГОНАЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка

информации (в технике и технологиях)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 200 8

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мирончиков Евгений Тимофеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Яковлев Виктор Алексеевич

кандидат технических наук, доцент

Шеховцов Олег Иванович

Ведущая организация – ОАО «Российский институт мощного радиостроения», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится «20» января 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу:

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67, ГУАП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан «____» __________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Осипов Л.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Помехоустойчивость является одной из важнейших характеристик современных систем передачи информации. Возможность ее дальнейшего повышения при фиксированной скорости передачи представляется очень актуальной проблемой.

В данной работе предлагается в цифровых системах передачи сообщений наряду с помехоустойчивым кодированием использовать дополнительное ортогональное кодирование. Совместное использование обоих видов кодирования дает значительный энергетический выигрыш по сравнению с использованием только помехоустойчивых кодов.

При обработке принятых сигналов на приемной стороне системы передачи информации различают первичные и вторичные виды обработки. Под первичным видом обработки понимается принятие решения о значении передаваемого символа и иногда об оценке условной вероятности ошибки. Под вторичным – исправление ошибок в декодирующем устройстве с использованием жестких решений или полученных при первичной обработке условных вероятностей ошибки. Целью разделения на виды обработки является уменьшение сложности и, как следствие, стоимости приемной аппаратуры. В тех случаях, когда надежность связи должна быть особенно высокой, оба вида обработки выполняются совместно. Такой способ приема называется приемом в целом.

В работе показано, что между первым и вторым уровнями обработки можно ввести еще один уровень, который позволяет дополнительно снизить вероятность ошибки. Уменьшение вероятности ошибки осуществляется за счет использования ортогонального кодирования. Это кодирование является аналогом сверточного кодирования над полем действительных чисел и имеет максимально возможную скорость передачи (скорость кодирования). Введение дополнительного уровня обработки не затрагивает в значительной степени схемы первичной и вторичной обработок.

Цель работы состоит в разработке и исследовании метода ортогонального кодирования для повышения помехоустойчивости системы передачи информации с относительной фазовой модуляцией (далее – ОФМ).

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. разработка алгоритма синтеза класса системных и обратных системных матриц, обеспечивающих реализацию ортогонального кодирования;

2. разработка процедуры согласования символов ортогонального кода с ОФМ;

3. исследование характеристик помехоустойчивости в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (далее АБГШ) и в канале с неселективными по частоте и медленными замираниями при использовании ортогонального кодирования;

4. исследование характеристик помехоустойчивости в канале с АБГШ при совместном использовании корректирующих и ортогональных кодов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории вероятностей, теории информации, теории систем передачи информации, теории помехоустойчивого кодирования и теории моделирования систем.

Научной новизной обладают следующие результаты работы:

1. алгоритм синтеза системных матриц и доказательство корректности этого алгоритма;

2. разработка процедуры согласования дискретных символов ортогональных кодов с ОФМ;

3. оценка энергетического выигрыша от применения ортогонального кодирования по сравнению с ОФМ при сохранении скорости передачи;

4. оценка энергетического выигрыша от применения ортогонального кодирования в сочетании с помехоустойчивым кодированием по сравнению с использованием только помехоустойчивого кодирования при сохранении скорости передачи.

Практическая ценность диссертации заключается в том, что в ней предложен метод ортогонального кодирования, обеспечивающий существенный энергетический выигрыш без внесения избыточности и без значительного увеличения сложности аппаратуры.

Внедрение и реализация результатов работы. Основные исследования и результаты диссертационной работы использованы в ОАО «Российский институт мощного радиостроения» и внедрены в учебный процесс кафедры информационных систем Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Седьмой, Восьмой, Девятой, Десятой и Одиннадцатой научных сессиях ГУАП (2004, 2005, 2006, 2007, 2008 гг.), на III Международном симпозиуме «Аэрокосмические технологии» (2004 г.), на Санкт-Петербургском форуме компании «Нокия» Nokia Tech Days в 2007 г., а также научном семинаре в СПИИРАН в 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе одна статья в рецензируемом журнале по перечню ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. алгоритм синтеза класса системных матриц, обеспечивающих реализацию ортогонального кодирования, и доказательство корректности этого алгоритма;

2. процедура согласования символов ортогонального кода с ОФМ;

3. оценки величин энергетических выигрышей в канале с АБГШ и в канале с АБГШ и неселективными по частоте и медленными замираниями при использовании ортогонального кодирования, полученные в результате имитационного моделирования;

4. оценка величины энергетического выигрыша в канале с АБГШ при сочетании ортогонального кодирования с помехоустойчивым кодированием, полученная путем имитационного моделирования.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованных источников и трех приложений. Диссертация содержит 176 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок и 12 таблиц, а также приложения объемом 24 страницы, включая 4 рисунка. В списке использованной литературы 122 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель и сформулированы решаемые в работе задачи. Перечислены новые научные результаты, полученные при выполнении работы, показаны практическая ценность и апробация работы, описаны внедрение и реализация результатов. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы представлен обзор основных методов повышения помехоустойчивости и кратко рассмотрены основные достижения в этой области за счет помехоустойчивого кодирования, а также включены результаты, связанные с использованием предлагаемого в работе ортогонального кодирования.

В исследованных ранее методах повышения помехоустойчивости канал связи был заранее фиксирован, то есть переходные вероятности выходных сигналов при заданных вероятностях входных сигналов не менялись. Как следствие, кратность модуляции, применявшейся при передаче сообщений, также, как правило, не изменялась. Таким образом, характеристики канала не зависели от используемого способа помехоустойчивого кодирования.

Идея ортогонального кодирования базируется на особенности обработки сигналов на приемной стороне системы передачи. Эта особенность заключается в том, что сигналы передающей стороны могут быть выбраны по нашему усмотрению, а сумма переданного сигнала и шума обрабатывается одинаковым образом. Если правильно подобрать передаваемые сигналы, то в результате получим усиление переданных сигналов и ослабление влияния шума. Это же свойство сохраняется и в том случае, когда шум не является только аддитивным: в работе рассмотрено также применение ортогонального кодирования в некоторых каналах с замираниями и аддитивным шумом.

Для осуществления ортогонального кодирования необходимо синтезировать квадратные матрицы специального вида, такие, чтобы их произведение давало матрицу, похожую на единичную, но у которой на главной диагонали стоят одночлены, определяющие корректирующие свойства ортогонального кода. Поиск таких пар матриц велся раньше с использованием комбинаторных методов, что позволило найти всего несколько примеров ортогональных кодов, которые использовались для оценки увеличения помехоустойчивости. Поэтому появилась задача найти регулярный алгоритм построения таких пар матриц для синтеза ортогональных кодов. Эта задача полностью решена во второй главе данной работы в предположении, что используемые полиномиальные матрицы имеют первую степень. При этом ограничении получен широкий класс матриц, достаточный для решения практических задач повышения помехоустойчивости в современных системах связи. Разработка ортогонального кодирования на основе полиномиальных матриц более высокого порядка приводит к большим математическим трудностям и увеличению сложности реализации. Поэтому в данной работе они не рассматривались.

На рис. 1 показана не только зависимость скорости кодирования от отношения сигнал/шум для различных систем спутниковой связи, но и зависимость скорости кодирования от отношения сигнал/шум для систем с ортогональным кодированием.

Рис. 1. Зависимость скорости кодирования от отношения сигнал/шум для различных

систем спутниковой связи и систем с ортогональным кодированием

при фиксированной вероятности ошибки на бит в канале с АБГШ

На рис. 1 видим, что для обеспечения вероятности ошибки на бит в системе с фазовой модуляцией (далее – ФМ) и ортогональным кодированием на основе матриц порядка 32 требуется отношение сигнал/шум . На рис. 1 соответствующая точка обозначена как «ОК-32». При использовании кода планетарного стандарта совместно с ортогональным кодом на основе матриц порядка 32 в системах с ФМ вероятность ошибки на бит обеспечивается при отношении сигнал/шум . Таким образом, обеспечен энергетический выигрыш в по сравнению с применением только кода при сохранении скорости передачи. При использовании кода планетарного стандарта совместно с ортогональным кодом на основе матриц порядка 32 в системах с ФМ вероятность ошибки на бит обеспечивается при отношении сигнал/шум . Тем самым обеспечен энергетический выигрыш в по сравнению с применением только кода при сохранении скорости передачи. На рис. 1 соответствующие точки обозначены как «План. станд. и ОК-32». При применении использовавшегося на станции «Маринер-7» блокового кода Рида-Малера со скоростью и минимальным расстоянием Хэмминга между кодовыми словами совместно с ортогональным кодом на основе матриц порядка 32 вероятность ошибки на бит обеспечивается при отношении сигнал/шум . Видим, что в этом случае имеется энергетический выигрыш в по сравнению с использованием только кода Рида-Малера. На рис. 1 соответствующая точка обозначена как «Маринер и ОК-32».

Во второй главе работы приведено описание предлагаемого в ней ортогонального кодирования как аналога сверточного кодирования над полем действительных чисел и исследованы его характеристики. В главе представлен алгоритм синтеза класса системных и обратных системных матриц, обеспечивающих реализацию ортогонального кодирования, и доказана корректность этого алгоритма.

Во второй главе рассмотрены основные понятия, характеризующие операции кодирования и декодирования с помощью сверточных кодов, и приведен общий вид линейных схем устройств, осуществляющих реализацию операции сверточного кодирования.

Рассмотрим способ задания ортогональных кодов и опишем алгоритм синтеза системных и обратных системных матриц ортогональных кодов.

Ортогональное кодирование является аналогом сверточного кодирования над полем действительных чисел и имеет максимально возможную скорость передачи (скорость кодирования).

Входной (информационной) последовательностью сверточного кодера со скоростью (скорость называется максимально возможной скоростью передачи) будет кортеж сигналов , где элементами сигналов будут целые числа. Под выходной (кодовой) последовательностью сверточного кодера будем понимать , где – действительные числа.

Ортогональное кодирование как частный случай сверточного кодирования задается матрицами, элементами которых являются полиномы от переменной задержки с целыми коэффициентами. Кодовые слова получаются умножением входного информационного вектора на системную матрицу. Обозначим ее как . На приемной стороне осуществляется декодирование, которое сводится к умножению на обратную системную матрицу. Обозначим ее как .

Требуется, чтобы эти матрицы удовлетворяли условию

, (1)

где – единичная матрица. Такой вид правой части равенства (1) важен для реализации ортогонального кодирования. Множитель показывает, что амплитуда входного сигнала увеличивается в раз, а задержка в получении символов на приемной стороне составляет тактов. соответствует текущему моменту времени, соответствует задержке на один такт.

Так как данная работа посвящена исследованию совместного использования ОФМ и ортогонального кодирования, ограничимся применением матрицы с полиномами от переменной первой степени. Применение матрицы с полиномами от переменной большей степени связано со значительным увеличением сложности реализации кодирования.

Предложим следующий алгоритм синтеза системной и обратной системной матриц. Вначале выберем обратную системную матрицу , которая используется для определения системной матрицы и числа , входящих в равенство (1). Коэффициенты в элементах-полиномах матрицы равны и . В этом случае значения ошибок, имеющихся на выходе демодулятора, при декодировании не увеличиваются по абсолютной величине. Затем находим матрицу . Системная матрица получается умножением матрицы на наименьшее общее кратное знаменателей элементов матрицы .

В данной работе предлагается обратная системная матрица специальной структуры. Синтез матрицы порядка выполняется следующим образом:

Шаг 1. Присвоим первым элементам главной диагонали значения , . Четное число назовем глубиной матрицы;

Шаг 2. Остальным элементам на главной диагонали присвоим значения ;

Шаг 3. Вне главной диагонали элементы принимают следующие значения: элементы нечетных строк справа и нечетных столбцов вниз от главной диагонали равны ; элементы четных строк справа и четных столбцов вниз от главной диагонали равны .

Таким образом, обратная системная матрица порядка при четном имеет вид

(2)

Если нечетное, то матрица имеет вид

. (3)

Например, обратная системная матрица порядка глубины выглядит следующим образом:

.

Найдем обратную ей матрицу :

.

Умножим каждый элемент матрицы на . Получим системную матрицу :

.

При умножении системной матрицы на обратную системную матрицу получим

.

В табл. 1 приведены основные параметры некоторых матриц, построенных описанным способом.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 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.