Одеська національна академія зв'язку

ім. О.С. Попова

ІЛЬЇН ДМИТРО ЮРІЙОВИЧ

УДК 621.391.244:621.391.27

ПІДВИЩЕННЯ СПЕКТРАЛЬНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМ З

ПАРЦІАЛЬНИМ КОДУВАННЯМ

Спеціальність 05.12.02 – телекомунікаційні

системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Одеса – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова Державного комітету зв'язку та інформатизації України.

Науковий керівник –

доктор технічних наук, доцент Сукачов Едуард Олексійович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, доцент кафедри технічної електродинаміки та систем радіозв'язку.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Поповський Володимир Володимирович, Харківський національний технічний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри телекомунікаційних систем;

кандидат технічних наук, доцент Хорунжий Олександр Іванович, Київський інститут зв'язку, доцент кафедри інформаційних технологій.

Провідна організація –

Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України,

м. Одеса.

Захист відбудеться 20.06.2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної академії зв'язку

ім. О.С. Попова.

Автореферат розісланий 17.05.2002 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Плотников В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз і синтез сигналів – аналогових чи дискретних переносників цифрової інформації – відносяться до числа найважливіших задач, розв'язуваних у процесі створення сучасних телекомунікаційних систем. Зусилля дослідників постійно спрямовані на пошуки нових сімейств сигналів, що перевищуватимуть уже відомі за енергетичними або спектральними показниками, простоті генерації в передавальній частині і реєстрації в приймальній. Ще професор В.О. Котельников довів, що ймовірність помилкового приймання залежить не тільки від відношення енергії сигналу до спектральної густини шуму, але і від відстані в просторі сигналів, тобто форми сигналів. Унаслідок цього пошуки нових методів синтезу сигнальних структур з заданими властивостями не припинялися практично ніколи.

Чергове підвищення інтересу до практичних результатів, пропонованих теорією сигналів, зв'язано з розробкою проектів IMT-2000 і UMTS, спрямованих на створення високошвидкісних систем глобального зв'язку. Успішній реалізації проектів заважає та обставина, що всі виділені для роботи діапазони частот виявилися перевантаженими вже на етапі проектування, що стало результатом як постійно зростаючої кількості реальних користувачів послуг радіозв'язку, так і безупинним збільшенням потреб у підвищенні швидкості обміну інформацією (мобільні мережі, доступ до Internet, пакетні системи радіозв'язку та ін.). Один із шляхів вирішення проблеми зв'язаний з застосуванням накладених мереж, які використовують багатостанційні доступи W-CDMA і TDMA, що дає можливість теоретично двічі використовувати виділену смугу частот. Взаємні завади при цьому будуть тим менші, чим ширшим буде енергетичний спектр для однієї технології і вужчим для наступної.

Таким чином, актуальними є два напрямки теорії сигналів – формування широкосмугових шумоподібних сигналів з кращими спектральними і взаємнокореляційними характеристиками і створення сигналів з компактним спектром.

Основоположником методів формування і передачі вузькосмугових сигналів спеціального виду прийнято вважати Х. Найквіста. Йому належать три критерії, що визначають принципи формування сигналів з фінітним спектром, що відрізняються певними властивостями. Найбільш широко застосовуються в цифрових телекомунікаційних системах сигнали з компактним спектром, які задовольняють першому критерію Найквіста. Такі сигнальні функції, що одержали назву селективних сигналів, мають ряд корисних властивостей. Зокрема, вони вільні від міжсимвольної інтерференції (МСІ).

З іншого боку, селективні сигнали є своєрідним будівельним матеріалом для створення сигналів з керованою МСІ, що застосовуються в системах з парціальним (корелятивним) кодуванням та забезпечують високу спектральну ефективність.

Досліджували методи підвищення ефективності систем передачі з парціальним кодуванням такі відомі вчені P. Kabal, S. Pasupathy, В.А. Кисіль, В.Л. Банкет, М.В. Захарченко, Е.О. Сукачов та інші.

У переважній більшості публікацій із даного питання розглядаються методи формування парціальних сигналів різних класів, а також проблеми завадостійкості. Мало уваги приділено впливу характеристик тракту в основній смузі частот на спотворення сигналів і зниження завадостійкості. Відсутні також дослідження, пов'язані з визначенням точності існуючих методів оцінки впливу спотворень АЧХ і ФЧХ радіотракту на ефективність системи ЧМ-НФ з парціальним кодуванням.

Подібні задачі, що не одержали до останнього часу свого вирішення, вимагали розробки нових підходів і методів, представлених в цій дисертаційній роботі.

Таким чином, актуальність теми дослідження зв'язана з практичними вимогами розробки методів аналізу систем з парціальним кодуванням і обґрунтуванням доцільності застосування їх при проектуванні високоефективних телекомунікаційних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації зв'язані з темами науково-дослідних робіт, проведених в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова на замовлення і планами Державного комітету зв'язку та інформатизації України. Досліджені в роботі проблеми безпосередньо випливають із задач в області науки, сформульованих у “Концепції розвитку сучасної цифрової мережі зв'язку України до 2005 року” на базі Укртелеком.

Тематика дисертаційних досліджень ініційована початком ДКР №2-2-96 “Розроблення апаратури передачі цифрової інформації у стволах аналогових РРСП зі швидкістю 34 Мбіт/с” (УНДІРТ, м. Одеса, № ДР 0197U000851), що проводилася в Українському науково-дослідному інституті радіо і телебачення (УНДІРТ).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є аналіз спектрально-ефективних систем радіозв'язку і розроблення методів підвищення спектральної ефективності за допомогою застосування корелятивного кодування, розроблення математичної моделі для дослідження спотворень, що виникають у каналах зв'язку з ненормованими і нестабільними характеристиками.

Для досягнення поставленої мети в дисертації розглядаються і вирішуються наступні наукові задачі:

- проведення аналізу сигнальних функцій з компактним спектром, що дозволяють підвищити спектральну ефективність цифрових систем передачі і мінімізувати рівень міжсимвольної інтерференції;

- розроблення нових методів апроксимації спектральної густини селективних сигналів у перехідній області, що дозволяють синтезувати однопараметричні селективні сигнали з малим рівнем бічних пелюстків;

- розроблення критеріїв порівняльної оцінки селективних сигналів з фінітним спектром і алгоритму для дослідження спотворень форми цих сигналів;

- розроблення і дослідження частотно-ефективної системи парціального кодування для передавання цифрових потоків по аналогових радіорелейних лініях України;

- обґрунтування вибору класу системи парціального кодування і дослідження особливостей формування сигналів цього класу;

- дослідження граничного ступеня обмеження спектра парціального сигналу класу 4, що дозволяє організувати передачу цифрового потоку з припустимим рівнем МСІ по аналогових телефонних стволах радіорелейних ліній (РРЛ) без порушення інфраструктури магістралі;

- дослідження спектральних особливостей сигналів з частотною модуляцією і неперервною фазою (ЧМ-НФ) у системах з парціальним кодуванням;

- розроблення математичної моделі для дослідження впливу параметрів цифрових систем радіозв'язку з ЧМ-НФ і характеристик радіотракту на рівень МСІ на вході вирішального пристрою цифрового приймального пристрою, коли як переносники символів використовуються парціальні сигнали.

Об'єктом досліджень у роботі є цифрові системи радіозв'язку з парціальним кодуванням.

Предметом досліджень є модулюючі сигнали з компактним спектром.

Методи дослідження – дискретна математика, теорія апроксимації, теорія ортогональних перетворень і спектральний аналіз, математичне та імітаційне моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Запропоновано нові сигнальні функції, що задовольняють першому критерію Найквіста, і досліджені їхні властивості;

2. Запропоновано інтегральні і диференціальні критерії для порівняльної оцінки селективних сигнальних функцій з компактним спектром;

3. Розроблено методику дослідження впливу обмеження спектра сигналу в системах з парціальним кодуванням на значення МСІ;

4. Встановлено екстремальні властивості функції якості при двосторонньому обмеженні спектра сигналу в системі передачі з парціальним кодуванням;

5. Розроблено метод визначення необхідної точності обчислення спектра ЧМ-НФ сигналу для одержання заданого рівня МСІ в системах парціального кодування класу 4;

6. Розроблено методику оцінки впливу характеристик радіотракту на форму парціального сигналу за D-критерієм або око-діаграмою в системах цифрового радіозв'язку з ЧМ-НФ.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методи дослідження систем з парціальним кодуванням можуть бути використані для оптимізації і підвищення спектральної ефективності ЦСП.

1. Розроблено алгоритм програми для розрахунку око-діаграми послідовності сигналів у системах з парціальним відгуком.

2. Розроблено програму в середовищі Matlab для розрахунку і побудови око-діаграм.

3. Дано порівняльну оцінку запропонованих та існуючих сигналів з компактним спектром, що задовольняють першому критерію Найквіста.

4. Розроблено рекомендації з використанням програми побудови око-діаграми під час математичного моделювання систем передачі з ЧМ-НФ і парціальним кодуванням.

5. Показано можливість передачі цифрового потоку зі швидкістю 34,368 Мбіт/с у телефонних стволах існуючих аналогових РРЛ України.

6. Основні теоретичні висновки і практичні результати дисертації впроваджені під час розроблення концепції цифровізації РРЛ України, а також використані в лекційних курсах “Системи зв'язку з рухомими об'єктами” і “Основи теорії мобільного зв'язку”, що читаються студентам 4 і 5 курсів факультету РС, РВ і ТВ ОНАЗ ім. О.С. Попова, що підтверджується актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав усі теоретичні і практичні дослідження, що складає основу дисертаційної роботи. При цьому в роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належить: [4] – розроблення алгоритму й одержання око-діаграми на виході приймального пристрою цифрових ВОСП; [5, 6] – обґрунтування методів апроксимації й одержання нових спектральних функцій, що задовольняють першому критерію Найквіста; [7, 8] – дослідження екстремальних властивостей функції якості при обмеженні спектра; [9] – розроблення алгоритму прецизійних вимірів параметрів ЧМ-НФ шляхом ДПФ на ПЕОМ; [10 – 12] – розроблення імітаційної моделі системи радіозв'язку з ЧМ-НФ та її реалізація на ПЕОМ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах:

- IV Міжнародна науково-технічна конференція з телекомунікацій “НТК-телеком-99”. Одеса, 1999;

- IV Міжнародна науково-практична конференція “Системи і засоби передачі й обробки інформації”. Одеса, 2000;

- V Міжнародна науково-технічна конференція “Досягнення в телекомунікаціях за 10 років незалежності України”. Одеса, 2001;

- II Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні інформаційні й електронні технології”. Одеса, 2001;

- III Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів і молодих фахівців країн СНД “Техніка і технологія зв'язку”. Одеса, 2001.

Із тематики роботи було зроблено три виступи на науково-технічних конференціях Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова і підготовлений методичний посібник до лабораторної роботи.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 13 наукових праць, у тому числі: шість статей у журналах і науково-технічних збірниках (п'ять у співавторстві), п'ять доповідей на міжнародних конференціях і симпозіумах (три у співавторстві), одна депонована робота (без співавторів), один методичний посібник (у співавторстві).

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і чотирьох додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 182 сторінки, із них 121 сторінка основного тексту, 22 сторінки з рисунками, 3 сторінки з таблицями, 24 сторінки додатків. Список використаних джерел на 12 сторінках, він включає 124 найменування.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми дослідження, наукова і практична цінність, наведена загальна характеристика роботи.

У першому розділі здійснений огляд сигнальних функцій з компактним спектром у цифрових системах зв'язку. Дано порівняльну характеристику сигнальних функцій, що задовольняють першому критерію Найквіста, тобто мають властивості селективності. Представлено і проаналізовано різні форми виразів критеріїв Найквіста в часовій і частотній областях.

Розроблено методику й алгоритм побудови око-діаграми в середовищі Matlab і досліджені основні обчислювальні параметри: необхідний обсяг вихідних даних, довжина імпульсної послідовності, час розрахунку око-діаграми для окремих випадків сигнальних функцій і трактів передачі.

Запропонований алгоритм побудови око-діаграми в середовищі програмування Matlab 5.3 був реалізований у математичній моделі цифрової системи передачі (розд. 3 і 4), що дозволило провести дослідження впливу спотворень сигналів, які пройшли через частотно-обмежений тракт із заданими АЧХ і ФЧХ, на величину розкриття око-діаграми, тобто на завадостійкість ЦСП.

У другому розділі проведено дослідження апроксимації АЧХ у перехідній області селективних сигналів з фінітним спектром. Показано, яку роль у теорії сигналів відіграють різні наближені представлення й апроксимації, що дозволяють спрощувати аналіз і синтез, а також практичну реалізацію сигналів.

Розглянуто різні способи апроксимації селективних сигналів у перехідній області їхніх спектрів. Запропоновано сигнальні функції, спектральна густина яких у перехідній області описується набором певним чином підібраних гладких функцій, що дозволило одержати селективні сигнали зі швидко загасаючими осциляціями. Спектральна густина сімейства відомих і запропонованих сигналів, що були досліджені в роботі, зображена на рис. 1.

Частотний інтервал (wA, wB) відповідає перехідній області спектральної густини сигнальної функції. Частота wC відповідає середині області, а точка C є центром симетрії для кривої спектральної густини в цій області. Частота wN є тактовою частотою проходження імпульсів чи частотою Найквіста. Аналітичні вирази відповідних селективних сигналів наведено в табл. 1.

Для зручності порівняння і вибору селективних сигналів була вироблена методика порівняння їхніх параметрів за різними показниками. Одним із найважливіших показників сигнальної функції є ступінь концентрації її енергії в заданому інтервалі [–Dt/2, Dt/2]. Для селективних сигналів – відрізок часу спостереження доцільно вибирати проміжок [-kT, kT], де T – тривалість тактового інтервалу, k = 1, 2, 3, … .

У цьому випадку, із урахуванням теореми Рейлі, можна записати наступний інтегральний критерій

(1)

Рис. 1. Спектральна густина сімейства селективних сигналів

Оскільки розглянуті селективні сигнали мають фінітні спектри, то становить інтерес оцінка ступеня концентрації енергії в перехідній області (wA, wB). Для цього можна скористатися другим інтегральним критерієм

(2)

де h2 – відносна частка повної енергії в частотній області, зосереджена в перехідній смузі спектральної густини сигналу.

Чисельні значення виразів (1) і (2) залежать від конкретних значень k і a. Результати їх розрахунків для розглянутих сигналів наведені в табл. 2.

Таблиця 1

Аналітичні вирази досліджуваних селективних сигналів та їх спектрів

№ пп. Сигнал si(t) Модуль спектральної густини

1

2

3

4

5

6

Графіки на рис. 2 і 3 показують, що під час оцінки сигналів за критерієм (1), серед досліджуваних сигналів можна виділити дві групи. Одна з цих груп відповідає високому ступеню концентрації енергії (сигнали 1, 2, 4 та 5), а інша – низькому (сигнали 3 та 6).

Більш глибокий зв'язок між формою сигнальної функції і конфігурацією око-діаграми можна простежити й оцінити чисельно, якщо ввести такий інтегральний критерій, який можна назвати коефіцієнтом розкриття око-діаграми

де

Виконані розрахунки числових параметрів селективних сигналів дозволяють оцінити їхні властивості і намітити шлях синтезу нових класів сигнальних функцій, що відповідають заданим вимогам. Дані табл. 1 і 2 дозволяють зробити висновок про характер зміни числових параметрів при зміні форми спектральної густини в перехідній області.

Сигнали 1, 2, 4 і 5 містять понад 99% енергії в інтервалі [-2T, 2T], а ступінь концентрації енергії сигналів 3 і 6 у цьому ж інтервалі понад 70%. Ступінь концентрації енергії в перехідній області спектральної густини h2 монотонно зменшується, що цілком узгоджується з ходом кривих у перехідній області на рис. 1.

Таблиця 2

Результати розрахунків числових характеристик селективних сигналів

№ пп. h1, k=1, a=0,3 h1, k=2, a=0,3 h2, a=0,3 , a=0,3 DH, a=0,3 DH, a=0,5 a=0,3 x, a=0,3

1 0,955 0,991 0,247 0,625 0,367T 0,500T -0,928 0,491

2 0,958 0,993 0,243 0,623 0,380T 0,530T -0,918 0,493

3 0,788 0,811 0,228 0,616 0,419T 0,583T -0,872 0,500

4 0,971 0,997 0,222 0,613 0,462T 0,645T -0,858 0,502

5 0,976 0,994 0,205 0,602 0,470T 0,612T -0,789 0,513

6 0,820 0,823 0,176 0,567 0,437T 0,576T -0,588 0,547

Рис. 2. Залежність ступеня концентрації енергії селективних

сигналів від коефіцієнта “округлення” a на проміжку [0, T]

Диференціальний критерій відбиває поведінку сигнальної функції при t = T, тобто в момент першого переходу через нуль. Зменшення модуля призводить до збільшення розмірів горизонтального розкриття DH, що відображено в табл. 2.

Рис. 3. Залежність ступеня концентрації енергії селективних сигналів від

коефіцієнта “округлення” a у перехідній області спектральної густини (wA, wB)

Однозначної відповідності між DH і x знайти не вдається, що свідчить про більш тонкий механізм впливу форми сигналу на площу розкриття око-діаграми. Змінювання ходу кривих на інтервалах [T, 2T] і [2T, 3T] чинить помітний вплив на формування розкриття око-діаграми, що потребує свого додаткового дослідження.

У третьому розділі висвітлені проблеми формування сигналів у системах з парціальним кодуванням, відображені основні властивості сигналів з парціальним відгуком і дана їхня класифікація.

Системи з парціальним відгуком, поряд з можливістю реалізації особливо високої питомої швидкості передачі, мають також ті переваги, що забезпечують одержання сигналів, амплітудні спектри яких з малим рівнем НЧ і ВЧ складових мають також нулі в необхідних для техніки зв'язку точках частотної осі.

Формування частотного імпульсу у вигляді парціального відгуку допомагає поліпшити асимптотичні характеристики спектра ЧМ-НФ сигналу при незмінному чи навіть більш вузькому основному пелюстку спектральної густини потужності.

Досліджено наслідки обмеження спектра парціального сигналу класу 4 в області НЧ чи ВЧ, а також при обмеженні в обох областях. Необхідність проведення цих досліджень виникла в зв'язку з використанням сигналу класу 4 для передачі цифрової інформації по аналогових телефонних стволах РРЛ. Відповідно до існуючого стандарту всі канали керування і сигналізації організуються в нижній частині спектра частот (0,3...56 кГц), тобто нижче спектра групового сигналу багатоканальної телефонії. Під час передачі цифрових потоків замість аналогового багатоканального сигналу доцільно зберегти існуючу систему керування РРЛ, тому для усунення взаємних завад спектр сигналу класу 4 необхідно обмежити в області НЧ.

При обмеженні в області НЧ зі спектра вилучається та його частина, що розміщена на проміжку [0, w1], а при обмеженні в області ВЧ – на проміжку [w2, wC] (рис. 4).

Рис. 4. Обмеження амплітудного спектра сигналу з парціальним відгуком класу 4

Аналітичні вирази вилучених фрагментів спектра мають вигляд

Відповідно до цього при обмеженні в області НЧ можна одержати функцію часу, що відповідає спектральній густині :

де – коефіцієнт, що визначає ступінь обмеження спектра в області НЧ.

Аналогічно, для випадку обмеження в області ВЧ, маємо

де – коефіцієнт, що визначає ступінь обмеження спектра в області ВЧ.

Зміна форми досліджуваного сигналу при обмеженні його спектра в області НЧ може бути визначена в такий спосіб

(3)

Аналітичні вирази парціального сигналу класу 4 у результаті обмеження спектральної густини в області ВЧ

(4)

Аналогічно можна знайти аналітичний вираз парціального сигналу класу 4 після обмеження його спектральної густини в обох областях

(5)

де

У тому випадку, якщо q1 = q2 = q, вираз (5) набуває вигляду

(6)

Розрахункові формули (3) – (6) дозволяють дати кількісну оцінку МСІ, що з'являється в точках реєстрації символів при обмеженні спектра парціального сигналу класу 4 у каналі зв'язку. Для оцінки використовується D-критерій, що для сигналу (3) має вид

На рис. 5 представлена залежність D4(N) від параметрів q1 і q2. Для фіксованого значення обмеження в обох областях (q1 + q2 = a = const) встановлені екстремальні властивості функції якості . Показано, що МСІ мінімальна в тому випадку, коли (рис. 6).

Запропонована методика була використана при проектуванні систем передачі цифрових потоків по аналогових РРЛ. Наприклад, було показано, що якщо швидкість цифрового потоку складає 34,368 Мбіт/с, то тактова частота буде дорівнювати fT = 34,368 МГц, а fC = fT/2 = 17,184 МГц. Для того, щоб величина МСІ не перевершувала 12% при обмеженні спектра в області НЧ, необхідне виконання умови , що відповідає f1 = 343,68 кГц. Виділення такої смуги більш ніж достатньо для організації традиційних каналів службового зв'язку, телекерування і телесигналізації в аналоговому стволі РРЛ, тобто для збереження існуючої інфраструктури.

Рис. 5. Залежність оцінки МСІ за D-критерієм від обмеження спектра

в області НЧ при фіксованому обмеженні в області ВЧ

Рис. 6. Залежність оцінки МСІ за D-критерієм від обмеження спектра

в області НЧ при спільному обмеженні в області НЧ і ВЧ

У четвертому розділі подано обґрунтування вибору методу частотної модуляції з неперервною фазою для систем передачі з парціальним кодуванням і сигналів, що мають компактний спектр.

Виконано оцінку точності розрахунку спектра ЧМ коливання з гармонічним модулюючим сигналом методом ДПФ за допомогою ШПФ. Виведено розрахункові співвідношення, що дозволяють визначити девіацію частоти і помилку тактової синхронізації між передавачем і приймачем на підставі дискретного перетворення Фур'є ЧМ-НФ сигналу.

Викладено методику розрахунку впливу характеристик радіотракту на значення спотворень сигналу в системах із ЧМ-НФ і парціальним кодуванням класу 4.

В якості модулюючої послідовністі використана суперпозиція імпульсів класу 4, довжиною 32T (рис. 7) і на її основі виконано розрахунок спектральних характеристик ЧМ-НФ сигналу:

(7)

де Значення acn і asn розраховуються за допомогою ДПФ ЧМ-НФ сигналу.

Рис. 7. Послідовність модулюючих парціальних сигналів класу 4

Нормоване відносно миттєве значення відхилення частоти від несучої ЧМ-НФ сигналу на виході частотно-обмеженого радіотракту визначається за формулою

(8)

де

N – число елементів масиву ; h – індекс модуляції ; r – число частин, на які розбито тактовий інтервал T. При цьому мають місце співвідношення і .

Рис. 8. Залежність величини МСІ від ступеня обмеження спектра

Для оцінки впливу обмеження спектра ЧМ-НФ сигналу (7) на закон зміни миттєвої частоти скористаємося D-критерієм, трохи видозміненим з урахуванням специфіки сигналу класу 4

(9)

На рис. 8 представлена кількісна оцінка залежності значення міжсимвольної інтерференції від ширини спектра ЧМ-НФ сигналу при різних індексах модуляції.

Наведена в дисертації математична модель може бути використана як інструмент для всебічного кількісного дослідження тих змін параметрів ЧМ-НФ сигналу, що з'являються після проходження його через радіотракт із довільними АЧХ і ФЧХ, що має місце в реальних приймально-передавальних пристроях.

ВИСНОВКИ

У роботі наведене теоретичне узагальнення аналізу і синтезу селективних сигналів і на його основі запропоноване нове розв'язання наукової задачі, пов'язаної з удосконаленням систем передачі цифрової інформації, що застосовують технології парціального кодування разом з методом ЧМ-НФ. Це дозволило підвищити спектральну ефективність цифрових систем передачі в цілому.

Сформовано сімейство селективних сигналів з фінітним спектром (табл. 1), що задовольняють першому критерію Найквіста, а так само дано аналіз їхніх властивостей.

Розроблено алгоритм теоретичного дослідження спотворень форми селективних сигналів за допомогою ПЕОМ, що дозволяє будувати око-діаграму сигнальної послідовності на виході каналу зв'язку. Викладено методику контролю ступеня спотворення сигналів, що пройшли через тракт з реальними характеристиками, за допомогою око-діаграми. Показано, що око-діаграма є зручним інструментом контролю, яка дозволяє оптимізувати форму сигналу по мінімуму МСІ відповідно до D-критерію в системах з парціальним кодуванням.

Запропоновано нові види апроксимації спектральної густини селективних сигналів у перехідній області, на підставі яких отримано нові однопараметричні селективні сигнали (табл. 1, №1, №3, №5) з малим рівнем бічних пелюстків.

Запропоновано нові критерії порівняльного аналізу селективних сигналів із фінітним спектром. Дано методику оцінки ступеня концентрації енергії сигналу на відрізках часу, що кратні тактовому інтервалу. Проведено зіставлення форми імпульсів і відповідних амплітудних спектрів за критерієм концентрації енергії для фіксованого значення параметра “округлення” спектральної густини сигналу в перехідній області.

Розроблено методику дослідження впливу обмеження спектра на ступінь спотворення сигналу в системах з парціальним кодуванням при використанні як критерій оцінки око-діаграму. Використання методики дозволило визначити допустимий ступінь обмеження спектра при передачі цифрового потоку третього рівня ієрархії по аналогових РРЛ, у результаті чого виявилося можливим зберегти без зміни існуючу систему телеконтролю і телесигналізації, що займає смугу частот поблизу нуля.

Знайдено співвідношення, що дозволяють визначити оптимальний режим обмеження спектра парціального сигналу класу 4 в області НЧ і ВЧ, за якого досягається допустимий рівень МСІ. Дано рекомендації із допустимого ступеня обмеження спектра сигналу класу 4.

Виконано оцінку точності розрахунку спектра ЧМ коливання з гармонічним модулюючим сигналом методом ДПФ за допомогою ШПФ. Отримано розрахункові формули для визначення спектральної густини ЧМ-НФ сигналів у системах із парціальним кодуванням.

Запропоновано методику і створена математична модель для дослідження впливу параметрів цифрових ЧМ-НФ систем радіозв'язку і характеристик радіотракту на значення МСІ на вході вирішуючого пристрою приймача, коли в якості переносників символів використовуються парціальні сигнали. Проведено дослідження впливу ширини тракту на величину спотворення миттєвої частоти ЧМ-НФ сигналу, де як модулюючий сигнал обрана комбінація сигналів з парціальним відгуком класу 4.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в таких роботах:

1. Ильин Д.Ю. Особенности разработки программы построения глаз-диаграммы в среде Matlab // Наукові праці ОНАЗ. – 2001. – №2. – С. 100–103.

2. Ильин Д.Ю. Моделирование тракта передачи и оценка межсимвольной интерференции в системах связи // Труды IV Междунар. научн.-технич. конф. по телекоммуникациям “НТК–Телеком–99”. – Одесса: УГАС им. А.С. Попова. – 1999. – С. 255–256.

3. Ильин Д.Ю. Анализ современных систем подвижной радиосвязи и способов их взаимодействия с фиксированными телекоммуникационными сетями. – К. 1999. – 88 с. – Рус. – Деп. в ГНТБ Украины 1.10.99, №241 – Ук99.

4. Корнейчук В.И., Ильин Д.Ю. Анализ приемных устройств цифровых ВОСП // Наукові праці УДАЗ. – 2001. – №1. – С. 33–37.

5. Сукачёв Э.А., Ильин Д.Ю. Сравнительный анализ селективных сигналов для цифровых систем передачи информации // Наукові праці УДАЗ. – 2000. – №3. – С. 42–47.

6. Сукачев Э.А., Ильин Д.Ю. Синтез сигналов с финитным спектром для цифровых систем передачи // 5-я Междунар. научн.-технич. конф. “Достижения в телекоммуникациях за 10 лет независимости Украины”. Сборник докладов (ТЕЛЕКОМ–2001). – Одесса: УГАС им. А.С. Попова. – 2001. – Ч. 1. – С. 132–135.

7. Сукачёв Э.А., Ильин Д.Ю. Влияние ограничения спектра на форму сигнала в системе с парциальным откликом класса 4 // Праці УНДІРТ. – 2000. – №2(22). – С. 83–88.

8. Сукачёв Э.А., Ильин Д.Ю. Исследование влияния ограничения спектра сигнала в системе с парциальным откликом класса 4 на уровень МСИ // Труды IV Междунар. научн.-практич. конф. “Системы и средства передачи и обработки информации” (ССПОИ–2000). – Одесса: УГАС

им. А.С. Попова. – 2000. – С. 25–26.

9. Сукачёв Э.А., Ильин Д.Ю. Исследование точности определения мгновенной частоты в системах передачи парциальных сигналов методом ЧМ-НФ // Праці УНДІРТ. – 2002. – №1(29). – С. 26–30.

10. Сукачёв Э.А., Ильин Д.Ю. Применение метода БПФ при вычислении спектров ЧМ-НФ сигналов // Наукові праці ОНАЗ. – 2002. – №1. – С. 39–44.

11. Драганов В.М., Ильин Д.Ю., Сукачев Э.А., Гардыман Ж.А. Особенности моделирования приемных устройств стандарта GSM в среде System View // Труды Второй Междунар. научн.-практич. конф. “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ–2001). – Одесса: ОГПУ. – 2001. – С. 216–217.

12. Ильин Д.Ю., Драганов В.М., Сиденко И.И. Моделирование функциональных возможностей приёмопередатчика GSM в среде System View: Мет. рук. к лаб. раб. №48 // Укр. гос. акад. связи им. А. С. Попова. – Одесса, 2001. – 21 с.

13. Ильин Д.Ю. Модель высокочастотного приемопередающего тракта стандарта GSM в среде System View // 3-я Междунар. научн.-технич. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ. “Техника и технология связи”. – Одесса: УГАС им. А.С. Попова. – 2001. – С. 171–175.

Ільїн Д.Ю. Підвищення спектральної ефективності систем з парціальним кодуванням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 – телекомунікаційні системи і мережі. Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Одеса, 2002.

Дисертаційна робота присвячена розробленню методів поліпшення спектральної ефективності цифрових систем передачі за допомогою застосування парціального кодування і створення математичної моделі для дослідження спотворень, що виникають у каналах зв'язку з ненормованими і нестабільними характеристиками.

Запропоновано нові види апроксимації спектральних характеристик у перехідній області для сигналів із компактним спектром, що задовольняють критеріям Найквіста.

На основі системи парціального кодування класу 4 побудована система передачі цифрових потоків по аналогових радіорелейних системах передачі КУРС. У дисертації проведене дослідження однобічного і двобічного обмеження частотного спектра сигналу з парціальним відгуком класу 4. Вирішена оптимізаційна задача вибору смуг обмеження й оцінена гранична величина обмеження, при якій ступінь некерованої міжсимвольної інтерференції знаходиться в припустимих межах.

Ключові слова: критерії Найквіста, парціальне кодування, спектральна ефективність, частотна модуляція з неперервною фазою, системи передачі цифрової інформації.

Ильин Д.Ю. Повышение спектральной эффективности систем с парциальным кодированием. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 – телекоммуникационные системы и сети. Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Одесса, 2002.

Диссертационная работа посвящена разработке методов улучшения спектральной эффективности цифровых систем передачи посредством применения парциального кодирования и создания математической модели для исследования искажений, возникающих в каналах связи с ненормированными и нестабильными характеристиками.

Предложены новые виды аппроксимации спектральных характеристик в переходной области для сигналов с компактным спектром, удовлетворяющих критериям Найквиста. Исследованы основные характеристики предложенных селективных сигналов.

Предложены новые критерии для сравнительного анализа селективных сигналов с финитным спектром. Дана методика оценки степени концентрации энергии сигнала на отрезках оси времени, кратных тактовому интервалу. Проведено сопоставление формы импульсов и соответствующих амплитудных спектров по критерию концентрации энергии для фиксированного значения параметра “скругления” спектральной плотности сигнала в переходной области.

Разработка и исследование частотно-эффективной системы парциального кодирования для передачи последовательностей цифровых сигналов с заданной формой спектральной плотности.

На основе системы парциального кодирования класса 4 построена система передачи цифровых потоков по аналоговым радиорелейным системам передачи КУРС. В диссертации проведено исследование одностороннего и двустороннего ограничения частотного спектра сигнала с парциальным откликом класса 4. Решена оптимизационная задача выбора полос ограничения и оценена предельная величина ограничения, при которой степень неуправляемой межсимвольной интерференции находится в допустимых пределах.

Реализована возможность передачи цифрового потока со скоростью 34,368 Мбит/с и допустимым уровнем межсимвольной интерференции по телефонным стволам существующих аналоговых радиорелейных линий Украины без нарушения инфраструктуры магистрали.

Предложен алгоритм и разработана программа построения глаз-диаграммы для сравнительного анализа систем с парциальным кодированием.

Разработаны имитационные модели частотно-ограниченного канала с частотной модуляцией с непрерывной фазой и высокочастотного тракта системы подвижной радиосвязи, выполнена их реализация на ПЭВМ.

Разработана математическая модель для исследования влияния характеристик радиотракта в системах с частотной модуляцией с непрерывной фазой на величину межсимвольных искажений на входе решающего устройства цифрового приемника, когда в качестве переносчиков символов используются парциальные сигналы.

Представлена методика расчета спектра сигнала частотной модуляции с непрерывной фазой методом ДПФ, для системы с парциальным кодированием и дана оценка точности вычислений. Разработан алгоритм расчета влияния характеристик радиотракта на величину искажения сигнала в системах с парциальным кодированием класса 4.

Ключевые слова: критерии Найквиста, парциальное кодирование, спектральная эффективность, частотная модуляция с непрерывной фазой, системы передачи цифровой информации.

Ilyin D.U. Increase of spectrum efficiency of partial response data signaling – Manuscript.

Ph.D. thesis by speciality 05.12.02 – Telecommunications systems and networks. Odessa National Telecommunication Academy named after A.S. Popov, Odessa, 2002.

The dissertation is devoted to development of methods of digital transmission systems spectral efficiency improvement by means of application of partial coding and development of a mathematical model for research of distortions originating in digital channels with the unnormalized and unstability characteristics.

New sorts of spectral characteristics approximation in their transition area for signals with a compact spectrum which satisfy to Nyquist criterions are offered.

On the basis of the class 4 partial coding system the transmission system of digital streams for analogue radio-relay equipment KURS is built. In the dissertation the research one-sided and two-sided frequency restriction of a spectrum of a signal with partial response of the class 4 is investigated. The optimisation task of choice of limitation zones is decided and the permissible value of limitation rated at which the degree incontrollable ISI is in tolerance is evaluated.

Key words: Nyquist signals, partial response coding, spectrum efficiency, continuous-phase frequency shift keying, digital information transmission system.