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 возможностей повышения частотной эффективности линий связи за счет использования сигналов с взаимной интерференцией символов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мордвинов Александр Евгеньевич

Исследование возможностей повышения частотной эффективности линий связи за счет использования сигналов с взаимной интерференцией символов

Специальность 05.12.04

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре формирования колебаний и сигналов

Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кулешов Валентин Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Немировский Михаил Семенович

кандидат технических наук, доцент

Борисов Виктор Алексеевич

Ведущая организация: ФГУП «НИИ Космического приборостроения»

Защита состоится “27” ноября 2008 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университет) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан « » октября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент Т.И. Курочкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одной из важнейших задач исследователей и инженеров в течение всей истории радиотехники и создания систем электрической связи была и остаётся задача поиска путей предельно возможного сокращения полосы частот в среде передачи сигналов и снижения мощности передающих устройств, при которой обеспечиваются необходимые скорость и верность передачи информации.

Начиная с фундаментальных работ В.А.Котельникова и К.Шеннона, решением этой задачи занималось несколько поколений учёных и инженеров. Переход на цифровые методы передачи информации дает большое количество технических и эксплуатационных преимуществ по сравнению с аналоговой техникой, однако требует значительного расширения полосы частот, занимаемой в канале связи. В настоящее время выход находят в обработке передаваемого сообщения с целью сокращения его информационного объема. Хотя даже при полном исключении избыточности в исходном сообщении проблема “тесноты в эфире” остается актуальной. Это относится к космической связи, цифровому телевизионному и радиовещанию, передаче информации с бортов космических аппаратов и т.д.



В различных вариантах задача построения максимально эффективных систем передачи информации рассматривалась и решалась в работах как отечественных учёных (А.А.Харкевич, В.И.Сифоров, Л.М.Финк, Л.С.Гуткин, В.И.Тихонов, П.И.Пенин, Л.И.Филиппов, Д.Д.Кловский, А.В.Михайлов, Д.Л.Коробков, Б.И.Николаев, В.И.Борисов, Ю.С.Шинаков, М.С.Немировский, В.Л.Банкет, В.М.Дорофеев и др.), так и зарубежных (А.Д.Витерби, Дж.Возенкрафт, И.Джекобс, Дж.Спилкер, Дж.Б.Андерсон, Д.Прокис, Б.Скляр и др.).

В настоящее время в реальных системах связи эффективность передачи информации повышают за счет перехода к многопозиционным сигналам, использования помехоустойчивого кодирования и сокращения защитных частотных интервалов. При этом передача всегда ведется независимыми или не интерферирующими символами. Требование отсутствия интерференции символов в передаваемом сигнале ограничивает длительность тактового интервала следования символов. В то же время, если не требовать отсутствия межсимвольной интерференции, то частотная эффективность передачи информации может быть увеличена за счет уменьшения тактового интервала следования символов.

Однако алгоритмы оптимальной или близкой к ней обработки сигналов в приёмниках при наличии интерференции символов, а, следовательно, и сами приёмники усложняются, причём с увеличением числа интерферирующих символов сложность приёмника увеличивается настолько быстро, что возникает вопрос не только о целесообразности его построения, но и о его практической реализуемости.

При относительно низком уровне развития элементной базы цифровых устройств обработки принимаемых сигналов построение приёмников сигналов с интерферирующими символами, работающих в режиме реального времени, при достаточно больших скоростях передачи, оказывалось нецелесообразным уже при небольшом числе интерферирующих символов. Однако разработка и внедрение элементной базы цифровых устройств новых поколений существенно расширяет возможности реализации сложных алгоритмов обработки сигналов. Поэтому теоретический анализ возможностей повышения частотной эффективности передачи информации за счёт уменьшения тактового интервала и извлечения информации из потока интерферирующих символов приобретает практический интерес.

Оценка возможности и практическая реализация возможного выигрыша в скорости передачи информации в жёстко ограниченной полосе частот особенно актуальны для спутниковых систем передачи информации, хотя и в других каналах связи они могут представлять значительный интерес.

Цель работы. Целью диссертации является исследование возможности увеличения частотной эффективности передачи информации за счет уменьшения тактового интервала следования символов, и в частности, анализ возможности использования этого способа в спутниковых системах связи.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

  1. Исследование потенциальной помехоустойчивости передачи информации при интерференции символов, которая возникает из-за уменьшения тактового интервала следования символов, благодаря чему увеличивается скорость передачи информации.
  2. Исследование помехоустойчивости и сложности практически реализуемых подоптимальных алгоритмов приема сигналов с интерференцией символов.
  3. Исследование влияния на помехоустойчивость передачи информации линейных искажений, вносимых в передаваемый сигнал в трактах передатчика и приемника.
  4. Исследование влияния на помехоустойчивость передачи информации погрешностей в работе служебных систем приемника, таких как система символьной синхронизации и система синхронизации по несущему колебанию.

Методы исследования. В диссертационной работе используются: методы временного и спектрального анализа, теория радиотехнических цепей и сигналов, статистическая радиотехника, теория вероятностей и методы компьютерного имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в научном обосновании возможности увеличения частотной эффективности системы связи за счет уменьшения тактового интервала следования символов и в оценке достоинств и ограничений этого способа увеличения частотной эффективности.

Конкретные новые научные результаты:

  1. Получены оценки потенциальной помехоустойчивости передачи данных с уменьшенным тактовым интервалом следования символов при использовании сигналов, спектры которых удовлетворяют определённым требованиям к электромагнитной совместимости.
  2. Установлена существенная зависимость потенциальной помехоустойчивости передачи данных с уменьшенным тактовым интервалом следования символов от требований к компактности спектральной плотности мощности передаваемого сигнала и уровню внеполосных излучений.
  3. Установлена существенная зависимость сложности оптимального приемника от выигрыша в частотной эффективности передачи данных и требований к спектральной плотности мощности.
  4. Исследованы структуры и свойства подоптимальных алгоритмов приема сигналов с интерференцией символов в системе передачи информации с уменьшенным тактовым интервалом следования символов и найдены условия близости эффективности их работы к эффективности оптимальных алгоритмов.
  5. Получены оценки влияния погрешностей работы систем фазовой и тактовой синхронизации приёмного устройства, а также линейных искажений, вносимых трактами передачи и приёма, на помехоустойчивость подоптимальных демодуляторов.

Практическая ценность. Создан комплекс компьютерных программ для оценки потенциальной помехоустойчивости передачи информации при интерференции символов, которая возникает при уменьшении тактового интервала следования символов, и для моделирования работы такой системы передачи информации. Разработаны программные реализации двух подоптимальных алгоритмов приема сигналов с интерференцией символов, на основе которых реализуется цифровая часть приёмника в такой системе передачи информации.

Использование результатов работы. Результаты работы были использованы при выполнении НИР на предприятии ФГУП ОКБ МЭИ в отделе ИТИС (Информационные Технологии и Связь).

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах: на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов МЭИ 2006, 2007, 2008 гг.; на научной сессии РНТОРЭС им А. С. Попова 2008 г.; на научно-техническом семинаре РНТОРЭС им А. С. Попова «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (г. Ярославль, 2008 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 тезисов докладов, 3 статьи в трудах семинаров и научных сессий.

Положения, выносимые на защиту.

  1. Теоретически обоснована возможность увеличения частотной эффективности системы связи за счет уменьшения тактового интервала следования символьных импульсов при заданной их форме, основанная на реализации оптимального приёма сигнала «в целом» с использованием алгоритма Витерби.
  2. Выявлена зависимость потенциальной помехоустойчивости передачи данных с уменьшенным тактовым интервалом следования символов от требований к компактности спектральной плотности мощности и уровню внеполосных излучений.
  3. Проанализирована зависимость сложности оптимального приемника от выигрыша в частотной эффективности передачи данных и требований к компактности спектральной плотности мощности передаваемого сигнала.
  4. Проведено сравнение рассматриваемого способа увеличения частотной эффективности передачи информации в системе связи со способом, основанным на переходе к многопозиционным сигналам, и показано что в ряде случаев рассматриваемый способ имеет ряд преимуществ.
  5. Проанализированы подоптимальные алгоритмы приема сигналов с интерференцией символов и найдены условия их близости к оптимальным алгоритмам.
  6. Проведён анализ влияния погрешностей в работе служебных систем приемника, таких как система символьной синхронизации и система синхронизации по несущему колебанию, а также влияния малых частотных искажений в тракте передачи на работу системы с рассматриваемым способом повышения частотной эффективности передачи информации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 69 наименований и 3 приложений. Содержание работы изложено на 140 листах машинописного текста. Основное содержание работы включает 53 рисунка и 3 таблицы.





КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и определены задачи диссертации, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассматривается модель системы передачи информации, определенны допущения, при которых будет проводиться ее анализ, определена модель канала связи, выполнен аналитический обзор публикаций, посвящённых решению задач повышения частотной эффективности передачи информации в цифровых каналах связи.

Основными параметрами системы передачи информации являются ее частотная и энергетическая эффективность. Частотная эффективность определяется как отношение скорости передачи информации R к полосе частот занимаемой сигналом F0. Энергетическая эффективность определяется отношением сигнал/шум на бит, требуемым для достижения заданной вероятности ошибки. Эти параметры зависят от вида модуляции, характеристик кода, типа канала связи и тех искажений, которые вносятся в сигнал во всем тракте передачи сигнала.

В большинстве существующих систем передачи информации реализуется режим передачи статистически независимыми и не интерферирующими символами. Требование отсутствия интерференции символов в передаваемом сигнале приводит к тому, что минимальный период Т следования символов ограничен снизу величиной 1/(2F0) и единственным способом увеличения частотной эффективности системы передачи информации является увеличение позиционности передаваемых символов. Такой способ увеличения частотной эффективности передачи информации хорошо изучен и приводит к одному из частотно эффективных методов модуляции: амплитудная, фазовая, амплитудно-фазовая. Среди этих видов модуляции, наилучшей энергетической эффективностью при заданной частотной эффективности обладает амплитудно-фазовая модуляция и в частности ее реализация с помощью КАМ сигналов. Поэтому все новые результаты, полученные в этой работе, сравниваются именно с этим видом модуляции.

В тоже время, если отказаться от требования отсутствия интерференции символов, то тактовый интервал следования символов Т не будет ограничен снизу. При этом появляется возможность дополнительного увеличения частотной эффективности передачи информации за счет уменьшения тактового интервала следования символов Т.

На целесообразность исследования возможности повышения частотной эффективности передачи информации за счет уменьшения тактового интервала следования символов Т обращал внимание К.А.Победоносцев, однако детально этот вопрос не был исследован в виду возникновения интерференции в большом количестве символов и усложнения алгоритмов демодуляции таких сигналов. В данной работе поставлена задача исследования этого пути повышения частотной эффективности передачи информации за счет уменьшения тактового интервала следования символов Т, поскольку за последние десятилетия характеристики цифровых устройств обработки сигналов вышли на качественно новый уровень и техническая реализация алгоритмов демодуляции таких сигналов стала возможной.

Другая возможность увеличения частотной эффективности передачи информации возникает, если отказаться от статистической независимости передаваемых символов. Такой способ увеличения частотной эффективности передачи информации основан на управлении спектральными характеристиками формируемого сигнала через корреляционные связи в последовательности передаваемых символов. При этом способе из исходной некоррелированной последовательности символов получают последовательность коррелированных символов, которую передают по каналу связи. Последовательность коррелированных символов получают, при помощи дискретного фильтра с импульсной характеристикой конечной длительности.

В ряде работ было показано, что при оптимизации отсчетов импульсной характеристики дискретного фильтра и определенных ограничениях на его амплитудно-частотную характеристику можно увеличить частотную эффективность передачи информации и при этом достичь лучшей помехоустойчивости по сравнению с КАМ сигналами. Основным недостатком данного подхода является то, что спектральная плотность мощности (СПМ) сигналов, формируемых с помощью таких фильтров, не может удовлетворить требованиям, предъявляемым в современных системах цифровой связи. А именно такие сигналы имеют высокую неравномерность СПМ (до 8 дБ), в пределах полосы частот, отведенной для передачи информации, и высокий уровень спектральной плотности мощности (достигающий примерно -25 дБ) вне занимаемой полосы частот.

Во второй главе проведено исследование возможности повышения частотной эффективности системы передачи информации путем уменьшения тактового интервала следования символов при неизменных прочих параметрах.

Рассмотрен канал связи, информация по которому передается в виде последовательности независимых символов {ak}, k = 0, 1, …, N – 1, каждый из которых выбирается из конечного числа M возможных значений (алфавита) и модулирует последовательность парциальных импульсов g(t-kT), следующих с тактовым интервалом T. При этих обозначениях передаваемый сигнал s(t) можно представить в виде:

. (1)

Форма импульса g(t) выбирается таким образом, чтобы СПМ сигнала s(t) удовлетворяла заданным ограничениям. В качестве модели канала связи в работе выбран канал с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ). В этой модели передаваемый сигнал s(t) подвержен лишь воздействию АБГШ n(t). При этом принимаемый сигнал z(t) можно представить в виде z(t) = s(t) + n(t).

Известно, что оптимальный прием сигналов с интерференцией символов возможен только «в целом», когда принимается весь сигнал и выносится решение о принятой последовательности символов. Если интерференция символов в сигнале распространяется лишь на конечное число символов L, то наиболее экономичной реализацией приема «в целом» является использование алгоритма Витерби.

При его использовании формируются величины zk, которые представляют собой отсчеты свёртки входного сигнала и импульса g(t) и определяются выражением

. (2)



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.