МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ і ЗВ’ЯЗКУ УКРАЇНИ

Український науково-дослідний інститут зв’язку

________________________________________________________________________

ЧУМАК ОЛЕКСАНДР ІЛЛІЧ

УДК 621.396.662.072.078

Поліпшення ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ

ПРИСТРОЇВ КОГЕРЕНТНОЇ ОБРОБКИ БАГАТОПОЗИЦІЙНИХ

СИГНАЛІВ В БАГАТОКАНАЛЬНИХ МОДЕМАХ

05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті зв’язку Міністерства транспорту і зв’язку України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор,

Хиленко Володимир Васильович

Український науково-дослідний інститут зв’язку, директор

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Балашов Віталій Олександрович

Одеський науково-дослідний інститут зв’язку, директор

кандидат технічних наук

Отрох Сергій Іванович, апарат управління ВАТ „Укртелеком”, Головний фахівець науково-технічного центру

Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство „Науково-виробниче підприємство ”Сатурн” (м. Київ).

Захист відбудеться „_17_”__березня_ 2006 р. о__14___годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.849.01 при Українському науково-дослідному інституті зв’язку за адресою: 03110 , м. Київ-110, вул. Солом’янська, 13.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Українського науково-дослідного інституту зв’язку за адресою : 03110 , м. Київ-110, вул. Солом’янська, 13.

Автореферат розісланий „_16_” _лютого 2006р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

В.Ф. Михайлов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Неупереджена оцінка нинішнього стану телекомунікаційних мереж України приводить до незаперечного висновку: перспективи визначаються тим, наскільки продумано та зважено будуть компромісно об’єднані потенційні можливості використання наявних традиційних телекомунікаційних мереж з новітніми технологіями. Для вирішення проблем розвитку та вдосконалення єдиної національної системи зв'язку необхідною умовою є сучасна телекомунікаційна мережа, в архітектурі якої вирішальне місце займає комп'ютер, а невід'ємною частиною комунікаційного обладнання є модем. Значення модемів зростало разом зі зростанням вимог до найважливіших характеристик систем зв'язку. Від модемів і реалізованих в них принципів прийому та передачі сигналів в значній мірі залежить ефективність використання каналів зв’язку, швидкість передачі, надійність, завадостійкість, рівень якості обслуговування з використанням новітніх інформаційних технологій. Тому проблема дослідження методів надійної цифрової передачі інформації з використанням багатоканальних модемів (БМ), стосовно створення високоефективних систем цифрової передачі телекомунікаційними мережами в сучасних комплексах та системах зв’язку, є доцільною і своєчасною.

Багатоканальні модеми завдяки довгій тривалості тактового інтервалу стійкі до імпульсних завад. В них застосовується як когерентний, так і некогерентний та автокореляційний методи прийому, що реалізуються за допомогою алгоритмів й засобів цифрової обробки сигналів. Однією з умов високої ефективності БМ є раціональний вибір параметрів групового сигналу. Завдяки тому, що гармонійні сигнали-переносники мають вузьку смугу частот, спрощуються задачі адаптації параметрів групового сигналу (спектру сигналу й розподілу кількості інформації систем передавання (СП) ортогональними гармонійними сигналами) та алгоритмів обробки сигналів при прийомі з метою об’єднання характеристик каналів зв’язку з ненормованими і нестабільними параметрами. У результаті в каналі зв’язку має місце складний багаточастотний сигнал з порівняно довгими посилками, тривалість яких значно перевищує перехідні процеси, котрі виникають в каналах зв'язку. Це забезпечує інваріантність БМ до лінійних спотворень сигналу і дозволяє передавати інформацію з високою швидкістю без коректування, або ж з незначним коректуванням їх частотних характеристик. Розвиток цифрових методів обробки й мікропроцесорної техніки сприяє пошуку нових шляхів розробок і вдосконалення техніки БМ та модемних технологій.

Актуальність теми. Одним з найважливіших питань різнорідної телекомунікаційної мережі є цифровизація місцевих (міських та сільських) мереж зв’язку. Саме багатоканальні модеми найбільш адекватні за своїми параметрами до реальних каналів цих мереж.

Аналіз науково-технічної літератури показує, що проблемам дослідження побудови ефективних систем передачі інформації і багатоканальних модемів присвятили багато робіт вітчизняні та закордонні вчені як Аріпов М.Н., Стеклов В.К., Балашов В.О., Беркман Л.Н., Науменко М.І., Хиленко В.В., Нетес В.А., Зюко О.Г., Кловський Д.Д., Назаров М.В., Окунєв Ю.Б., Фінк Л.М., Бертсекас Д.В., Галлагер Р., Захаров Г.П., Гуткін Л.С., Батіщев Д.І., Шеннон К., Блек Ю., Гандел Р., Девід Е., Болгер Дж., Сігалл А., Харкевич О.О., Якубайтіс Е.А. та інші.

У відомій науково-технічній літературі на сьогодні недостатньо досліджені різні принципи побудови ефективних систем передачі інформації на базі багатоканальних модемів, що мають практичний зміст і враховують багатоваріантний розвиток засобів та сучасних технологій. Як відомо, на завадостійкість модемів найбільше впливають такі фактори, як флуктуаційний шум, лінійні спотворення, що проявляються у вигляді міжканальних перехідних завад і міжсимвольних спотворень, імпульсних завадд і короткочасних перерв зв'язку. Реальним способом подолання комплексу вищезгаданих завад є техніка багатоканальних модемів з ортогональними канальними сигналами і багатопозиційною фазорізницевою модуляцією: вихідний високошвидкісний цифровий потік розподіляється на декілька низькошвидкісних потоків, переданих на різних піднесучих.

Серед невирішених проблем на сьогодні залишається задача синтезу алгоритмів оптимальної обробки багатопозиційних сигналів з амплітудно-фазовою модуляцією в БМ з ортогональними сигналами. Недостатньо досліджено проблему використання різних методів прийому для традиційних каналів місцевих мереж та каналів цільового призначення; немає рекомендацій який саме з методів прийому (когерентний, некогерентний, автокореляційний) використовувати в конкретних випадках. У відомих багатоканальних модемах використовується, як правило, оптимальна некогерентна обробка сигналів. З розвитком багатопозиційних систем набула актуальності задача синтезу алгоритмів когерентного прийому багаточастотних взаємоортогональних сигналів, орієнтованих на цифрову реалізацію і придатних для довільних сигналів із амплітудно-фазовою модуляцією. З цією задачею тісно пов'язана проблема реалізації БМ для каналів зв’язку на базі сучасних мікропроцесорних пристроїв. Перспектива активного становлення цифрових мереж, як альтернатива існуючим аналоговим каналам зв'язку, з метою забезпечення техніко-технологічного розвитку телекомунікацій, є реальністю.

Дисертаційна робота, яка присвячена дослідженню та розробці методів оптимального прийому багатопозиційних сигналів демодуляторами багатоканальних модемів, котрі сприяють поліпшенню показників якості передачі інформації в цифровій формі каналами зв’язку різних типів, є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов’язана з виконанням Комплексної програми створення єдиної національної системи зв’язку України. Обраний напрямок досліджень відповідає тематиці науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного інституту зв’язку (УНДІЗ), Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій (ДУІКТ, НАЦ „Телеком”), що проводились протягом 2002-2005 р. Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в розробках науково-аналітичного центру “Телеком” (державний реєстраційний № 0103U002500).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розв’язання комплексу науково-технічних питань, пов’язаних з проектуванням високоефективних за швидкістю передачі і завадостійкістю багатоканальних модемів з ортогональними сигналами і багатопозиційною амплітудно-фазовою модуляцією, котрі призначені для передачі інформації в цифровій формі каналами зв’язку різних типів.

Об’єкт дослідження - високоефективні багатоканальні модеми з ортогональними груповими сигналами, призначеними для передачі інформації каналами зв'язку, предмет дослідження - оптимальний прийом багатопозиційних сигналів в багатоканальних модемах.

Для досягнення мети вирішуються такі наукові задачі:

- дослідження методів та протоколів сучасних модемів, які використовуються в каналах зв’язку з різноманітними параметрами;

- дослідження алгоритмів оптимального когерентного, некогерентного та автокореляційного прийомів, визначення рекомендацій до їх використання;

- синтез універсального алгоритму оптимального когерентного прийому багатопозиційних АФМ сигналів у багатоканальному демодуляторі;

- розробка методики розрахунку завадостійкості синтезованого алгоритму для конкретних систем сигналів;

- синтез алгоритму виявлення сигналу на фоні завад за допомогою параметричного і непараметричного методів підходу до прийому сигналів.

Методи досліджень. Для досягнення поставлених в дисертаційній роботі задач використана теорія передачі дискретних повідомлень; теорія спектрального аналізу, статистична теорія зв’язку.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у наступному:

- виконано системний аналіз методів та протоколів, реалізованих в модемах на найбільш перспективних технологіях, на основі якого зроблено вибір на пріоритетне використання БМ з ортогональними сигналами, котрі забезпечують властивості інваріантності до випадкових збурень, що особливо важливо і актуально для традиційних каналів місцевих (сільських) мереж та каналів цільового призначення;

- досліджено алгоритми оптимального когерентного, некогерентного та автокореляційного прийомів, визначено рекомендації до їх використання;

- доведено, що в БМ доцільно використовувати алгоритми оптимального прийому багаточастотних ортогональних сигналів, орієнтованих на цифрову реалізацію та придатних до довільних сигналів багатопозиційної амплітудно-фазової модуляції;

- доведено, що для забезпечення швидкості близької до пропускної спроможності каналу, доцільно використовувати багатопозиційні сигнали з амплітудно-фазовою модуляцією, для яких еквівалентна енергія максимальна;

- проведено синтез універсального алгоритму оптимального когерентного прийому багатопозиційних АФМ сигналів у багатоканальному демодуляторі;

- розроблено методику розрахунку завадостійкості синтезованого алгоритму для конкретних систем сигналів;

- розроблено алгоритм оптимального прийому багатопозиційних сигналів при невідомих апріорних даних.

Вищенаведені наукові дослідження дають можливість вирішити одну із задач підвищення ефективності багаточастотної передачі інформації за допомогою високошвидкісних БМ з ортогональними груповими сигналами, призначеними для передачі інформації в цифровій формі каналами традиційних місцевих (сільських) мереж та каналів цільового призначення.

Вірогідність наукових результатів, висновків та рекомендацій, викладених в дисертаційній роботі, обґрунтована результатами експериментальних досліджень, коректним використанням математичного апарату та моделюванням на ЕОМ.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в науково-дослідних роботах на тему: “Векторний синтез телекомунікаційних мереж” НАЦ „Телеком” (ДУІКТ, номер держреєстрації № 0103U002500, інв. № 5) і рекомендовані до застосування при модернізації обладнання систем передачі телекомунікаційних мереж; до впровадження в наукових розробках систем управління сучасними телекомунікаційними мережами України та ВАТ „Укртелеком”.

Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі особисто автором проведено наступні дослідження і одержані такі результати:

- досліджено алгоритми оптимального когерентного, некогерентного та автокореляційного прийомів, визначено рекомендації до їх використання;

- синтезовано універсальний алгоритм оптимального когерентного прийому багаточастотних ортогональних багатопозиційних сигналів, орієнтований для передачі інформації в цифровій формі каналами традиційних місцевих (сільських) мереж та каналів цільового призначення;

- проведено моделювання розроблених алгоритмів, застосованих до прийому шістнадцятипозиційних сигналів;

- розроблено конкретні алгоритми когерентної обробки ефективних систем багатопозиційних сигналів. На основі цього алгоритму визначено, що завадостійкість сигналів з плинно змінними параметрами наближена до потенційної при тривалості усереднення більше 20 посилок та надано пропозиції щодо вибору оптимального багатопозиційного сигналу для каналу зв’язку з визначеним відношенням сигнал/шум;

- розроблено методику розрахунку завадостійкості синтезованого алгоритму для конкретних систем сигналів;

- досліджено завадостійкість алгоритмів оптимального прийому при невідомих апріорних даних;

- отримано характеристики завадостійкості розроблених алгоритмів в залежності від тривалості інтервалу усереднення оцінюваних параметрів за допомогою статистичного моделювання на ЕОМ.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Одеської національної академії зв'язку ім. О.С.Попова, Київського інституту зв'язку ОНАЗ ім. О.С.Попова, Українського науково-дослідного інституту зв'язку 2001-2005 р.; на V-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Достижения в телекоммуникациях за 10 лет независимости Украины” 21-22 серпня 2001р.,Одеса; на науково-практичному семінарі “Проблеми вищої освіти в галузі зв'язку та досягнення сучасних телекомунікаційних технологій” 27-29 листопада 2001 р., Чернівці; на І-му Міжнародному радіоелектронному Форумі „Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” 8-10 жовтня 2002р., Україна, м. Харків; на VІ Міжнародній науково-технічній конференції “Современные проблемы телекоммуникаций”. - 19 - 22 серпня 2003р., Україна, Одеса; на науково-технічному семінарі на тему: “Дослідження методів виявлення сигналів в умовах апріорної невизначеності” Об’єднаного інституту при Національній академії оборони України, м. Київ, 2005 р.

Публікації. На тему дисертаційної роботи опубліковано 26 наукових праць, в тому числі 2 навчальних посібники, 19 статей в науково-технічних журналах, збірниках наукових праць та 5 матеріалів доповідей на науково-технічних конференціях, форумах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 179 с. друкованого тексту, у тому числі містить 30 с. рисунків, 4 с. таблиць, 5 с. документів, що підтверджують впровадження результатів досліджень. Список використаних джерел на 13 с. включає 145 найменувань.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано задачі, мету, визначено об’єкт, предмет, методи дослідження та вирішення задач, перераховано основні наукові результати і їх практичне значення, викладена загальна характеристика роботи. Приведено дані про особистий внесок автора, а також публікації за темою дисертації.

В першому розділі досліджено ефективні методи цифровизації каналів зв’язку за допомогою модемів різних типів, сформульовано загальні вимоги до принципів і алгоритмів побудови сучасних модемів. З широкого спектру схем модемів при цифровій передачі інформації в системах зв'язку, де особливо високі вимоги до завадостійкості, акцент зроблено на використання багатоканальних модемів з ортогональними багатопозиційними сигналами та їх подальше удосконалення. Досліджено багатопозиційні фазомодульовані сигнали і багатопозиційні сигнали з амплітудно-фазовою (фазорізницевою) модуляцією, котрі найбільш часто використовуються у системах цифрового зв'язку. Проведено порівняння енергетичних параметрів сигналів із ФМ та АФМ на базі отриманих розрахунків при обмеженій максимальній потужності і обмеженій середній потужності. Спосіб модуляції відіграє основну роль у досягненні максимально можливої швидкості передачі інформації при заданій імовірності помилкового прийому. Досліджено способи модуляції, які впливають на швидкість і ефективність передачі, серед яких актуальні багаторівневі або багатопозиційні методи. Проведено системний аналіз протоколів, котрі реалізовані в модемах на найбільш перспективних високоефективних технологіях, на основі якого дані рекомендації на їх пріоритетне використання в різних каналах зв’язку.

Проведений аналіз показав, що БМ доцільно використовувати для рішення актуальної задачі синтезу алгоритмів оптимального когерентного прийому багаточастотних взаємоортогональних сигналів, орієнтованих на цифрову реалізацію та придатність до довільних сигналів багатопозиційної амплітудно-фазової модуляції. В місцевих мережах зв'язку, де високі вимоги до завадостійкості передачі інформації, рекомендовано використовувати БМ з ортогональними багатопозиційними сигналами, котрі забезпечують властивості інваріантності до випадкових збурень, що особливо важливо для каналів з нестабільними параметрами.

Вирішення зазначених питань являється суттю подальшого проведення досліджень і практичної реалізації, що визначають мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі досліджено ситуації, при яких складаються умови, що відповідають оптимальному некогерентному та автокореляційному методам обробки прийому багатопозиційних сигналів і визначено завадостійкість демодуляторів, які реалізують ці методи прийому.

Необхідність проведення досліджень пов'язано з доцільністю використання БМ на місцевих (міських, сільських) мережах та каналах цільового призначення.

В розділі розглянуто одержання алгоритмів оптимального некогерентного прийому сигналів для фазорізницевої модуляції (ФРМ) першого порядку (інформаційним параметром є різниця фаз між двома сусідніми посилками) і фазорізницевою модуляцією високих порядків ФРМ-1, ФРМ-2 (інформаційним параметром є різниця фаз між трьома, чотирма і т.д. сусідніми посилками). Згідно загальної теорії оптимального прийому система нерівностей (1) є найбільш загальним видом алгоритму оптимального некогерентного прийому сигналів із ФРМ-1, придатна для реалізації при будь-якому наборі інформаційних різниць фази: .

(1)

Зміст одержаного алгоритму (1) полягає в наступному - у демодуляторі обчислюються косинуси кутів, котрі представляють різниці між: 1) кутом між векторами двох сусідніх прийнятих посилок сигналу і 2) усіма дозволеними кутами між векторами двох сусідніх переданих посилок сигналу. При цьому перевага надається тому із допустимих кутів (альтернатив), для котрого вказаний косинус максимальний (тій різниці фази, яка найближча до прийнятої). Особливість оптимального некогерентного прийому проявляється у тому, що кут між векторами сусідніх посилок сигналу обчислюється через їх проекції на два взаємно ортогональних коливання (квадратурний прийом). Користуючись (1) при однократній ФРМ-1 з різницями фази одержуємо

(2)

тобто переданий двійковий символ

(3)

В розділі реалізовано синтез алгоритмів оптимального некогерентного прийому сигналів із ФРМ, ФРМ-1 та ФРМ-2, які проведено за загальним алгоритмом оптимальної некогерентної обробки (1). Представлено дослідження оптимального некогерентного прийому при однократній ФРМ-2. В даному випадку тривалість інтервалу обробки сигналу дорівнює трьом посилкам (), так як передана друга різниця фаз в загальному випадку визначається не менш ніж трьома посилками сигналу. Всі можливі варіанти сигналу з ФРМ-2 на трьох посилках і підставимо в (1). При цьому перша з трьох посилок є відліковою і має довільну, але однакову для усіх варіантів початкову фазу. При однократній ФРМ-2 з другими різницями фази 0 або на трьох посилках мають місце чотири варіанти сигналу, котрі можна записати в наступному компактному виді:

(4)

Кожному з чотирьох сигналів у (4) відповідає зазначене значення другої різниці фази. Підставивши (4) у (1) і скористаємося позначеннями:

(5)

одержимо, що в шуканому демодуляторі повинні обчислюватися наступні чотири величини:

(6)

Рішення приймається: коли найбільшою є або , то переданою вважається різниця фаз ; якщо ж найбільшою є або - передана . Схема демодулятора, що відповідає синтезованому алгоритму, представлена на рис. 1. Схема крім звичайних для некогерентних демодуляторів кореляторів, генератора опорних коливань з довільною фазою і ліній затримки, містить формувач величин ,, і , що задовольняє алгоритму (5) або (6), і схему порівняння. Остання виносить рішення про переданий двійковий символ. Для здійснення строго оптимального некогерентного прийому в даному демодуляторі частота опорного коливання повинна співпадати з несучою частотою прийнятого сигналу, тобто цей демодулятор, неінваріантний до частоти сигналу і його завадостійкість зменшується при зсувах частоти. Чудова властивість алгоритму (6) і демодулятора за схемою рис. 1, полягає в тому, що при відсутності розстройки частоти завадостійкость демодулятора вища завадостійкості оптимального некогерентного демодулятора сигналів із ФРМ-1 і майже не відрізняється від завадостійкості когерентного демодулятора сигналів з однократною ФРМ-1. Це дозволяє зробити висновок про збільшення завадостійкості при подовженні інтервалу оптимальної некогерентної обробки безнадлишкових сигналів. Синтез оптимальних некогерентних алгоритмів обробки сигналів із трьохкратною ФРМ-2 і вищої кратності ускладнюється: алгоритми досить громіздкі і схеми демодуляторів складніші.

Рис. 1. Оптимальний некогерентний демодулятор сигналів з однократною ФРМ-2

У зв'язку з цим інтерес представляють субоптимальні алгоритми некогерентного прийому сигналів із ФРМ-2, деякі з них мало уступають оптимальним за завадостійкістю, але в реалізації значно простіші. Один з методів побудови субоптимальних некогерентних алгоритмів сигналів із ФРМ-2 будь-якої кратності: множина рішень на виході оптимального некогерентного демодулятора сигналів із ФРМ-1 (дозволена множина перших різниць фази) створює алгебраїчне кільце порядку , яке можна зрівняти з ізоморфним кільцем цілих чисел від 0 до . Тобто, визначення переданого варіанту другої різниці фази можна здійснити шляхом обчислення різниці (по модулю ) двох - них чисел, що послідовно з'являються на виході вказаного демодулятора ФРМ-1. Відповідна схема демодулятора представлена на рис. 2, в яку входять оптимальний некогерентний демодулятор сигналів із ФРМ-1, пристрої пам'яті на термін однієї посилки і відліку по модулю . Число залежить від кратності модуляції і мінімального значення допустимої

Рис. 2. Некогерентна обробка сигналів з ФРМ-2

різниці фази : якщо то - , якщо то - .

В розділі досліджено автокореляційні методи. Як відомо, автокореляційні методи найбільш доцільно використовувати на каналах зв’язку з низькою якістю характеристик. Сигнали і S2(t) вважаються сигналами невідомої форми, якщо відсутня будь-яка інформація про коефіцієнти . При цьому відомі базисні функції (ортонормовані функції): система ортонормованих функцій визначає підпростір можливих форм сигналу , а система ортонормованих функцій - відповідно S2(t). Розглянуто випадок, коли відомі підпростори очікуваних сигналів, які визначаються відповідним набором базисних функцій і інтервалом часу їх існування. Якщо відомі розподіли коефіцієнтів і , то для синтезу оптимального алгоритму прийому сигналів і S2(t) використовується звичайне правило максимальної правдоподібності; якщо ж розподіли і невідомі – то за правилом загальної максимальної правдоподібності, відповідно до якого з двох можливих варіантів ( або S2(t)) вибирається той, для якої більший максимум функції правдоподібності.

Для випадку сигналів з однаковою енергією, коли відомо, що , то алгоритм формулюється в такий спосіб: вважається переданим сигнал , якщо

(7)

і сигнал S2(t) у протилежному випадку. Алгоритм (7) можна представити в виді:

(8)

де і частини прийнятого сигналу, що знаходяться в підпросторах і . Зміст отриманого алгоритму заключається в наступному: необхідно обчислити енергію сигналу, прийнятого в підпросторах першого і другого варіантів сигналу, вважати переданим той варіант, у підпросторі якого обчислена енергія більша. Алгоритми прийому (7) і (8) називають енергетичними або автокореляційними, при їх використанні в приймачі обчислюється згортка прийнятого сигналу з самим собою при тому або іншому часовому зсуві (у (8) цей зсув дорівнює нулю). Ці алгоритми справедливі при різних видах модуляції сигналу, причому для одержання відповідного часткового алгоритму варто підставити в (7) базисні функції, що відповідають даному виду модуляції. Автокореляційні демодулятори сигналів із ФРМ-1 привертають увагу надзвичайною простотою, але потрібно враховувати, що потенційно автокореляційні демодулятори уступають за завадостійкостю когерентним і оптимальним некогерентним. При передачі цифрової інформації різними каналами зв'язку виникає великий ряд ситуацій, при яких приймач обробляє сигнали з невідомою або неточно відомою частотою несучого коливання - канали з невизначеною частотою сигналу. Таким каналам і ситуаціям адекватний автокореляційний метод прийому при використанні сигналів із ФРМ другого порядку.

При дослідженні автокореляційного прийому сигналу з багатократною ФРМ користуються тими ж методами обробки. При переході від однократної ФРМ до двократної з незмінною швидкістю передачі завадостійкість зменшується незначно, але майже вдвічі скорочується смуга частот при незначних енергетичних втратах.

У третьому розділі проведено дослідження методів обробки багатопозиційних фазомодульованих сигналів, котрі найчастіше використовуються в системах цифрового зв’язку та запропоновано універсальні методи когерентного прийому багатопозиційних АФМ і АФРМ сигналів в БМ з ортогональними сигналами. Здійснено синтез оптимального алгоритму квазікогерентної обробки багаточастотних групових сигналів, розроблено конкретні алгоритми когерентної обробки перспективних шістнадцятипозиційних сигналів з АФМ, орієнтованих на цифрову реалізацію.

Як відомо, алгоритм оптимального демодулятора полягає в обчисленні відстані між прийнятим сигналом і варіантами переданого сигналу та у виборі варіанта з найменшою відстанню. Якщо позначити через проекції j -го варіанту переданого сигналу (j=1,2,...,т) на два взаємоортогональні опорні коливання з довільною фазою, а через і - проекції n-ої посилки прийнятого сигналу на ті ж опорні коливання, то вищевказану відстань можна представити як:

, (9)

і, отже, номер переданого сигналу

. (10)

Для реалізації алгоритму (10) необхідно за проекціями прийнятого сигналу на деякій множині посилок оцінити значення для усіх варіантів сигналу. Алгоритми оцінювання базуються на усередненні тих чи інших параметрів сигналу. При цьому в якості усереднених величин варто вибирати деякі перетворення вихідних параметрів , котрі були б інваріантні до номера передавального сигналу. Такими інваріантними перетвореннями є, зокрема, приведені до одного з варіантів проекції прийнятого сигналу. Для обчислення ефективних оцінок проекцій варіантів сигналу , скористаємося методом приведення та усереднення проекцій прийнятого сигналу. В якості величин усереднення виберемо для визначеності проекції першого варіанта сигналу, тобто величини . До них будемо приводити інші величини прийнятого сигналу в процесі підстроювання по інформаційному сигналу. Якщо прийнятий сигнал містить на інтервалі N посилок сигнал у суміші з гаусівським шумом, то, як відомо, максимально правдоподібні оцінки цих величин і рівні:

(11)

де і – величини проекцій на інтервалі –ї посилки. З них можна сформувати незміщені та ефективні оцінки проекцій всіх інших варіантів сигналу, що входять в оптимальний алгоритм (10). У випадку відсутності синхросигналу необхідно усереднювати не проекції прийнятого сигналу, а приведені проекції. При цьому операція приведення полягає в перетворенні прийнятих проекцій до проекцій, наприклад, першого варіанту сигналу з використанням прийнятого рішення про переданий зразок сигналу. Тоді приведені проекції і прийнятого сигналу на –ій посилці обчислюються через прийняті проекції і за формулами:

(12)

де – різниця фаз між варіантом сигналу, на користь якого в демодуляторі прийнято рішення на п -ій посилці і першому варіанту сигналу, – амплітуда сигналу, на користь якого в демодуляторі прийнято рішення на п -ій посилці. Далі, як і в алгоритмі прийому по синхросигналу, величини (12) усереднюються:

(13)

Відмінність алгоритму (13) від (11) полягає ще й в тому, що в (11) усереднення проводиться на інтервалі синхросигналу, а в (13) - на "плинному" інтервалі в N посилок, які передують оброблюваному сигналу в даний момент. За величинами (13) далі визначаються оцінки проекцій усіх варіантів сигналу за наступними формулами:

(14)

При обчисленні оцінок за співвідношенням (14) немає необхідності в апріорних даних про середню потужність надходжуваного сигналу, тому що в цей алгоритм входять тільки відношення амплітуд. Таким чином, співвідношення (10), (13) і (14) дають повний алгоритм когерентної обробки довільних багатопозиційних сигналів з амплітудно-фазовою модуляцією. На основі цього універсального алгоритму в роботі отримано алгоритми когерентної обробки ефективних систем конкретних багатопозиційних сигналів. Здійснено моделювання багаточастотного модему.

В четвертому розділі досліджуються проблеми на різних етапах оброки виявлення сигналу на фоні завад, проведено аналіз методів статистичної обробки та представлено рішення задач виявлення сигналів в умовах апріорної невизначеності, розроблено алгоритм виявлення сигналів на фоні завад.

Задача обробки інформації (ОІ) стосовно вхідних діянь – це виявлення моменту зміни (чи появи) вхідного сигналу (зміна рівня сигналу, зміна частоти, поява імпульсного сигналу та ін.). Зовнішні завади спотворюють вхідний сигнал, тому виділити його можна на основі статистичних розходжень між завадою і сумішшю . Додаткові завади , що спотворюють вхідний сигнал в обладнанні телекомунікаційних систем (ТС), вносяться при перетворенні сигналу до введення в цифрове обладнання обробки. Алгоритм функціонування обладнання ТС має три етапи ОІ: первинний, вторинний і третинний (комплексний). Такий розподіл на етапи обробки є умовним, але зручним з погляду формулювання часткових критеріїв ефективності, він відбиває структуру більшості обладнання ТС обробки сигналів у реальному часі. Найбільш складним при розробці структури і програмного забезпечення обладнання ТС є етап первинної обробки сигналів, тому що при проектуванні обладнання ТС часто відсутні точні відомості про характер завад, котрі змінюються. Однією з основних проблем, що виникають, є забезпечення стійкості параметрів первинної обробки до виду і характеру випадкових завад. В розділі досліджено цю проблему, яка вимагає розробки відповідного алгоритмічного забезпечення систем первинної обробки, що враховує новітні технології.

Рис. 3. Структура вхідної інформації в обладнанні обробки інформації: ДС - давач сигналу; ПП - підсилювач-перетворювач вхідного сигналу; АЦП - аналого-цифровий перетворювач (перетворювач вхідної інформації для обробки в обладнанні ОІ); , - завади передавання сигналу у вхідних ланцюгах, , - завади пристроїв підсилення і перетворення сигналу

Також досліджено різні методи статистичної обробки: оптимальні, адаптивні, некласичні методи оптимізації, котрі побудовані на принципах незміщеності, інваріантності, подібності тощо. Проведено дослідження використання непараметричних методів, коли функціональний вид розподілу вхідних даних невідомий, а задано - лише загальні відмінності між ситуаціями наявності і відсутності сигналу. В непараметричних методах головний акцент ставиться не на оптимізації характеристик системи, а на забезпеченні їх нечутливості до умов функціонування, тобто рівень - хибних тривог інваріантний щодо функціонального виду розподілу завади. Особливої уваги заслуговують рангові методи обробки виявлення сигналу. Ранги за своєю суттю є дискретними величинами, що приймають до того ж цілочисельні значення. Для їх обчислення використовують найпростіші операції типу порівняння і підсумовування. Формально процедуру обчислення рангу можна представити у вигляді:

. (15)

Зроблено висновок, що вибір способу ранжування в значній мірі залежить від прийнятої процедури формування вибіркових масивів, котрі містять досліджувану (“сигнальну”) Х і опорну (“завадову”) Y вибірки. Синтез рангових виявників спочатку зводиться до організації масивів Х та Y. Вибір процедури формування досліджуваного і опорного масивів проводиться евристично.

Синтез методів виявлення сигналу показує, що представлений перелік інваріантних перетворень не є вичерпним, але підтверджує неоднозначність вибору перетворень масиву S.

Встановлено, що гнучкість процедури ранжування забезпечує можливість вирішення широкого кола задач виявлення сигналів в умовах апріорної невизначеності. Проаналізовано унікальну особливість рангів порівняно з непараметричними перетвореннями інших типів. Критерієм вибору є не тільки дослідження заданих інваріантних властивостей рівня неправдоподібних тривог до виду розподілу, але що надто важливо - максимально можливе зберігання інформації про сигнал, що дає змогу практично повного відновлення вихідної інформації, тобто високу ефективність виявлення сигналу. Процедура ранжування забезпечує можливість вирішення широкого кола задач виявлення сигналів в умовах апріорної невизначеності. Унікальною особливістю рангів у порівнянні з непараметричними перетвореннями інших типів є можливість практично повного відновлення вихідної інформації. Розроблений алгоритм виявлення сигналу на фоні завад (рис. 4) ілюструє порівняння параметричного і непараметричного методів прийому сигналів.

ВИСНОВКИ

Сукупність наукових положень сформульованих та обґрунтованих в дисертаційній роботі складає вирішення науково-технічного завдання з підвищення завадостійкості передачі інформації багатоканальними модемами з багатопозиційними сигналами стосовно створення високоефективних систем цифрової передачі реальними каналами зв’язку різних типів.

В дисертаційній роботі отримано такі теоретичні та науково-практичні результати:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Представлені дослідження, розроблені методики охоплюють новітні технологічні рішення, дозволяють здійснювати з визначеною вірогідністю цифрову передачу інформації високоефективними системами зв’язку і доцільні до впровадження на сучасних комплексах та системах зв’язку.

Список опублікованих наукових праць за ТЕМОЮ дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

АНОТАЦІЯ

Чумак О. І. Підвищення показників якості пристроїв когерентної обробки багатопозиційних сигналів в багатоканальних модемах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 – радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. – Український науково-дослідний інститут зв’язку, м. Київ, 2006.

Дисертацію присвячено рішенню науково-технічних задач та розробці алгоритмів оптимального прийому багатопозиційних сигналів в багатоканальних модемах (БМ), котрі сприяють поліпшенню показників якості передачі інформації в цифровій формі каналами зв’язку різних типів. Визначено, що використання БМ з ортогональними сигналами забезпечує властивості інваріантності до випадкових збурень. Досліджено: способи