УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЗВ’ЯЗКУ

НІКІФОРЕНКО КОСТЯНТИН БОРИСОВИЧ

УДК 621.391.27

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РОЗРОБКА АЛГОРИТМІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ

В КАНАЛАХ З|із| ЧАСТОТНОЮ І ФАЗОВОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ

05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті зв’язку

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Хиленко Володимир Васильович,

Український науково-дослідний інститут звязку,

директор інституту.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор

Савченко Юлій Григорович,

Український науково-дослідний інститут звязку,

провідний науковий співробітник

- кандидат технічних наук

Отрох Сергій Іванович,

ВАТ "Укртелеком",

провідний спеціаліст

Провідна установа Харківський національний університет радіоелектроніки МОН України

Захист відбудеться 30 березня 2007 року о 14 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К26.849.01 Українського науково-дослідного інституту зв’язку за адресою: вул. Соло-м’ян-ська, 13, 03680, м. Київ-110.

З дисертаційною роботою можна ознайомитися в бібліотеці Українського науково-дос-лід-ного інституту зв’язку за адресою: вул. Солом’янська, 13, 03680, м. Київ-110.

Автореферат розісланий 26 лютого 2007 року.

Вчений секретар

cпеціалізованої вченої ради К 26.849.01

к.т.н., с.н.с. В.Ф.Михайлов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективного функціонування інформаційних систем і мереж в сучасних умовах складної електромагнітної обстановки є одним з найважливіших завдань сучасної теорії і практики телекомунікацій. Вона належить до класу тих завдань, значення яких з часом не тільки не зменшується, а стрімко зростає. Така тенденція спричинена тим, що технічний прогрес на межі ХХ і ХХІ ст. забезпечив передумови переходу людства до принципово нової фази свого розвитку – інформаційного суспільства – за рахунок створення національних, регіональних і глобальної інформаційних інфраструктур, важливою складовою частиною яких є локальні інформаційні мережі (WLANs), засновані на стандарті 802.11 (Wi_Fi, Wi-Max) та їм подібні.

Рішенню проблем з розробки та дослідження алгоритмів і методів підвищення ефективності передачі інформації в різноманітних бездротових каналах з різними видами модуляції присвяченао велику кількість наукових і прикладних робіт як вітчизняних, так і зарубіжних учених. Серед достатньої кількості публікацій з указаної тематики основоположними працями є роботи К.Шеннона, В.Котельникова й Л.Кантора. В них висвітлюються основи синтезу і побудови систем передачі дискретної інформації, обґрунтовується необхідність використання тих або інших видів модуляції, алгоритми їх оптимальної роботи та інші питання тактики і стратегії ефективної побудови як вузлів і пристроїв, так і інформаційних радіосистем і бездротових мереж загалом.

Подальший розвиток ідей підвищення ефективного функціонування бездротових мереж, а також питання прогнозування їх подальшого розвитку в умовах інформаційного суспільства, що інтенсивно розвивається, питання оптимізації систем передачі інформації в умовах складної завадової обстановки висвітлені в роботах В.Стеклова, І.Панфілова, Н.Захарченка, Л.Фінка, П.Нудельмана, В.Киселя, Л.Беркман, А.Зюко, А.Князя та інших учених. У працях Ю.Сушкова й А.Абакарова висвітлені основоположні питання розробки ефективних алгоритмів при використанні математичних методів моделювання і визначення різних (зокрема, не вимірюваних) параметрів складних технічних систем, до яких відносяться і параметри ефективного функціонування інформаційно-телекомунікаційних систем та мереж.

Аналіз наукових джерел і матеріалів, розміщених у глобальній інформаційній мережі INTERNET, показав, що в сучасних умовах розвитку та конвергенції комунікаційних бездротових мереж, конкуренції на ринку інформаційних систем і телекомунікацій виникають все нові і нові завдання, пов’язані з розробкою і дослідженням алгоритмів підвищення ефективності передачі інформації в існуючих радіоканалах з кутовими видами модуляції. Відповідно набуває особливої ваги визначення і рішення різноманітних наукових проблем і прикладних задач по дослідженню невикористаних резервів відносно можливості ефективнішого використання вказаних каналів зв’язку стосовно сучасних інформаційних бездротових мереж.

Необхідність подібних досліджень очевидна, оскільки вона має пряме відношення до проблеми підвищення ефективності сучасних інформаційних бездротових мереж на основі діючих каналів радіозв’язку без їх суттєвої і дорогої реконструкції, що в даний час є актуальним питанням для багатьох регіонів.

Рішення задачі підвищення ефективного функціонування інформаційних бездротових мереж і радіосистем тісно пов’язане з розробкою теорії синтезу квазіоптимальних систем телекомунікацій, тобто систем, що працюють в умовах близьких до реальних, коли в каналі, окрім флуктуаційних шумів, одночасно впливають імпульсні та зосереджені по спектру перешкоди, наявні лінійні спотворення з відомими, частково відомими або повністю невідомими розподілами. Аналіз наукових робіт показав, що як основна ідея дослідження нових методів розробки і дослідження алгоритмів підвищення ефективності передачі інформації в радіоканалах з кутовими видами модуляції використовується припущення про те, що реальний процес з урахуванням повного різноманіття діючих факторів можна чисельно промоделювати на ЕОМ. Це положення тим більш актуальне, якщо враховувати труднощі, які виникають при аналітичному рішенні обумовленої задачі з урахуванням вище вказаних чинників. Незважаючи на наявність математичного апарату і розроблених методик, придатних для інженерної оцінки на ЕОМ ефективності функціонування вузлів, пристроїв, систем і мереж, у даний час не припиняються пошуки адекватних оптимальних і квазіоптимальних алгоритмів, що дозволяють отримувати більш точні оцінки показників і характеристик ефективності складних систем при прийнятних затратах праці і часу.

Відповідно до вище сказаного, тема дисертаційної роботи, присвяченої знаходженню та дослідженню нових алгоритмів підвищення ефективності передачі інформації в радіоканалах із частотною і фазовою модуляцією в умовах складної електромагнітної обстановки, є актуальною. Розв’язання перерахованих завдань визначило зміст дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям дисертаційних досліджень безпосередньо пов’язаний з виконанням низки науково-дослідних робіт в УНДІЗ по темах К43/2005–24 (держ. реєстр. № 105U008519) “Технічні вимоги до телекомунікаційних мереж загального користування”, К188/2006-24 (держ.реєстр. № 106U005790) “Проведення сертифікаційних випробувань модемів Conexant RD01-D850”, Conexant RD02-D110”, Conexant RD01-D480”, ДО189/2006-24 (держ. реєстр. № 106U011734) “Сертифікаційні випробування модема Motorola ML3054” і ДО190/2006-24 (держ.реєстр. № 106U011736) “Послуги із проведення сертифікаційних випробувань модемів Agere Athens AM2 b Agere Delphy D40.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є виконання досліджень, спрямованих на пошук ефективних алгоритмів та аналітичних методів, а також адекватного математичного апарату, які дозволяють підвищити ефективність передачі інформації в каналах сучасних інформаційних бездротових мереж і радіосистем, що базуються на існуючих радіоканалах та технологіях стандарту 802.11 і використовують кутові види модуляції при прийнятних витратах праці і часу, а також розробка простих методик інженерних розрахунків на ЕОМ завадостійкості синтезованих пристроїв.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі наукові задачі:

1. Аналіз, дослідження і обґрунтування ефективних алгоритмів передачі інформації з частотною та фазовою модуляцією з метою підвищення ефективності функціонування інформаційної радіосистеми.

2. Розробка алгоритму синтезу квазіоптимальної системи передачі інформації мінімально чутливої до лінійних спотворень, яка використовує сигнали скінченої тривалості в обмеженому діапазоні частот і які володіють мінімальним енергетичним запасом, з метою підвищення потенційної завадостійкості інформаційної мережі.

3. Дослідження методу підвищення ефективності інформаційної системи, що використовує радіоканали з частотною та фазовою модуляцією, за рахунок оптимізації смуги частот при використанні методу плавної зміни маніпулюючого параметра і використання сигналів з підвищеним ступенем розрізнюваності.

4. Обґрунтування застосування методу підвищення достовірності та швидкодії прийому сигналів у сучасних інформаційних радіомережах на основі використання адаптивних і непараметричних алгоритмів обробки сигналів.

5. Вирішення задачі складання ефективної математичної моделі об’єктів дослідження, що базується на отриманих аналітичних виразах та співвідношеннях, а також розробка методики її використання.

Об’єктом досліджень є пристрої передавання та прийому інформації в інформаційних мережах.

Предметом досліджень є показники та характеристики ефективного функціонування обладнання інформаційних мереж та систем.

Методи досліджень, що використовувались в дисертаційній роботі, запозичені з теорії інформаційних систем та мереж, теорії радіоелектронних систем і комплексів, теорії моделювання складних систем, а також методи апроксимації математичних функцій та математичне моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Встановлено, що неефективне використання радіоканалів стандарту 802.11 стосовно випадків передачі пакетів дискретних повідомлень пояснюється невисокою завадозахищеністю радіоканалів з причини використання в інформаційних системах малопотужних передавальних пристроїв, що змушує для отримання достатньо великої завадостійкості і надійності вести роботу при високих співвідношеннях сигнал/шум.

2. Виведено аналітичні співвідношення для знаходження основних характеристик радіосигналу на виході складового радіоканалу, які дозволяє досліджувати їх з необхідною точністю та отримати результати, що відрізняються великою достовірністю.

3. Розроблено математичну модель, адекватну вирішуваним реальним задачам передачі інформації в системах CDMA, DECT, GSM і їм подібних, в якій замість довільного розподілу імовірностей, заданих у просторі всіх можливих входів і виходів проміжних комутаторів, розглядаються імовірнісні характеристики кожного проміжного комутатора, що дозволяє добитися однозначного відображення вихідного сигналу з урахуванням всіх впливаючих параметрів складового тракту.

4. Розроблено алгоритм та програму оцінки завадостійкості синтезованого цифрового приймача, які дозволяють розрахувати та дати аналіз імовірності його помилкової роботи.

5. Розроблено метод роботи приймального пристрою, який базується на зміні його структури за рахунок використання адаптивних і непараметричних алгоритмів обробки сигналу, що приводить до підвищення ефективності інформаційної радіомережі.

Практична значимість отриманих результатів:

1. Розроблені алгоритми, методики та блок-схеми функціонування пристроїв та інформаційних радіомереж в цілому дозволяють встановити адекватну відповідність між їх математичними моделями та реальними еквівалентами. Це надає можливість значно скоротити часові та матеріальні витрати при проектуванні нового обладнання інформаційних радіомереж.

2. Модифікація методів і способів передавання та прийому інформації з урахуванням специфіки інформаційних радіомереж і систем дає можливість вирішити задачу складання ефективної математичної моделі об’єктів дослідження для визначення та підвищення потенційної завадостійкості інформаційної мережі.

3. Розробка і використання вдосконаленого методу усунення частотних надлишків за рахунок зменшення рівня позасмугового випромінювання дозволили збільшити пропускну спроможність існуючих радіоканалів без їх дорогої реконструкції.

4. Розроблена процедура вибору інформаційного сигналу, на основі якої з’явилася можливість підвищення завадостійкості системи радіозв’язку та перспектива збільшення _ефективності інформаційної системи і мережі в цілому, зберігаючи при цьому задану ймовірність помилки.

Особистий вклад автора. Всі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, автором отримані самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: в [1] – опис проблеми та методика її вирішення; в [2, 9] – алгоритм аналізу статистики помилок, які породжуються за рахунок відмовлення мережного обладнання та математична обробка статистичних даних; в [3] – опис проблеми, методика її вирішення та висновки; в [4] – аналіз впливу функціональної надмірності систем телекомунікацій на скорочення обсягів їх випробувань та висновки; в [5] – алгоритми, математична модель та приклади; в [10] – розглянуто підходи та шляхи створення математичної моделі, адекватної задачам передачі інформації в системах CDMA, DECT, GSM і їм подібних.

Апробація дисертаційної роботи. Основні положення та результати, отримані в дисертаційній роботі, доповідалися та обговорювалися на Міжнародній науково-практичній конференції "Новітні мережні технології в Україні", м. Ялта,
19-22 вересня 2006 р.; I щорічній конференції професорсько-викладацького складу та студентства Міжнародного гуманітарного університету, м. Одеса, 14-15 квітня 2006 р.; молодіжному науково-навчальному семінарі "Питання розвитку телекомунікаційних мереж", м. Київ, 8-9 червня 2006 р.; науково-практичному семінарі молодих науковців та студентства "Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології",
25-26 грудня 2006 р.; науково-практичному семінарі ТОВ “Hight Tech”, м. Одеса, 2006 р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових робіт,
в тому числі: 3 – у фахових наукових виданнях за переліком Вищої атестаційної комісії України, 7 – у збірниках праць конференцій та семінарів, 2 – в інших наукових виданнях.

Структура дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних інформаційних джерел та
4 додатків. Загальний обсяг роботи складає 152 сторінки, в тому числі 32 рисунки,
3 таблиці, 12 с. переліку літератури з 177-и найменувань та 27 с. додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі до дисертаційного дослідження розкривається суть науково-практичної проблеми технологічних перетворень у сфері інформаційних радіосистем та засобів телекомунікацій. На сучасному етапі зазначена проблема вирішується на основі комплексного підходу, який включає одним із складових пунктів перехід від збільшення продуктивності інформаційних систем до підвищення їх ефективності. Такий підхід є основою для розвитку інформаційних радіомереж та систем, а також збільшення послуг телекомунікацій і визначає можливість реалізації завдань державної програми інформатизації. Зазначається, що одним з важливих завдань розвитку інформаційних мереж і систем є створення надійних і ефективних пристроїв та систем передавання та прийому цифрової інформації. На основі аналізу наукових джерел проводиться аналіз існуючих методів підвищення ефективності функціонування складних телекомунікаційних систем, що використовують частотну та фазову модуляцію. Тут же обґрунтована актуальність роботи, необхідність проведення досліджень, сформульована мета роботи, показана наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, наведені відомості про апробацію роботи.

У першому розділі аналізуються системи передачі ЧМ і ФМ сигналів і розробляється метод оцінки їх ефективності. Показується, що науковий і практичний інтерес представляють багатопозиційні системи з кутовими видами модуляції, в яких при передачі випромінюється не два, а декілька коливань різної частоти. Наводиться розроблена класифікація інформаційних систем за способом передачі коливань з використанням багатопозиційних сигналів. В основу класифікації покладено ділення на системи, в яких коливання різних частот випромінюються поперемінно і на системи, в яких одночасно вивчаються коливання декількох частот. Аналіз, відповідно до наведеної класифікації, показав, що інформаційні системи, побудовані за першим варіантом, мають недоліки, властиві системам з пасивною паузою. Як базовий варіант далі в роботі розробляється варіант системи з активною паузою.

Після введення основних базових понять і позначень в роботі досліджуються ефективні алгоритми передачі інформації з кутовими видами модуляції. За основу аналізу та оцінки ефективності вибраний мало відомий алгоритм, що базується на системі коефіцієнтів. На основі цього показано, що – ефективність інформаційної системи повністю визначається величиною її надмірності.

Далі в першому розділі встановлюється взаємозв’язок коефіцієнтів використання параметрів каналу, які характеризують ефективність інформаційної системи. Показується, що кількість інформації, яка міститься в повідомленні, в загальному випадку визначається ступенем невизначеності при його передачі. Встановлюється існування однозначної відповідності між повідомленнями і переданими сигналами, а також залишкова невизначеність, яка характеризується апостеріорним розподілом прийнятих сигналів. У результаті показується, що середня кількість інформації визначається як математичне очікування по всіх можливих сигналах. На підставі аналогічних співвідношень визначаються ентропія прийнятого сигналу і ентропія шуму. Швидкість передачі інформації по каналу з шумами визначається за формулами, відомими з наукової літератури з врахуванням особливостей теми роботи. Розраховується пропускна спроможність радіоканалу залежно від ймовірності помилки для двійкового каналу для кодів з різною основою і будуються графіки, які можна використовувати при наукових розробках.

У цьому ж розділі показані і проаналізовані випадки цілковитої відсутності залежності між переданими і прийнятими сигналами і пропонуються рекомендації по використанню такої можливості збільшення ефективності функціонування радіосистеми на практиці. Доводиться, що розподіл сигналів з кутовими видами модуляції не є рівномірним: сигнал у ВЧ-тракті – квазісинусоїдальний з модуляцією одного параметра фази. У зв’язку з цим для розрахунку пропускної спроможності рекомендується використання основних співвідношень теорії інформації, записаних для фазових змін. Результати досліджень наводяться у вигляді графіків.

У першому розділі також наголошується, що вживані нині способи передачі дискретних повідомлень, які як базовий принцип передачі використовують кутові види модуляції і будуються за технологіями стандарту 802.11, далеко не вичерпують потенційних можливостей використовуваних каналів існуючих мереж. Показано, що існують великі не використані резерви відносно можливості ефективнішого використання вказаних каналів зв’язку стосовно сучасних інформаційних систем. Тут же встановлюється, що причинами недостатнього або неефективного використання можливостей каналів стосовно випадку передачі дискретних повідомлень, є відносно слабка завадозахищеність каналів зв’язку, обумовлена обмеженнями на вихідну потужність передавачів стандарту 802.11, що змушує для отримання досить великої надійності вести роботу при високих співвідношеннях сигнал/шум. Отже, дослідження і застосування більш удосконалених методів передачі-прийому сигналів дає можливість отримати помітний виграш в завадозахищеності. Крім того, доводиться, що використання смуги частот каналу зв’язку внаслідок використання великих захисних міжканальних смуг, що відокремлюють один канал від іншого, є неефективним. Також неефективним є використання часу передачі за рахунок того, що результатом зниження швидкості передачі інформації при передачі двійкових дискретних сигналів, є перехідні процеси. Як наслідок, практична швидкість модуляції завжди буде вибрана нижче гранично можливої.

У другому розділі розробляється алгоритм синтезу квазіоптимальної системи передачі інформації. Основним завданням є задача розробки моделі складового радіоканалу з проміжними комутаційними вузлами з метою отримання математичного інструменту для подальших досліджень і аналізу. За основу моделі складового радіоканалу в інформаційній мережі, прийняли структурну схему передачі сигналу по складовому радіоканалу з проміжними комутаційними вузлами і лініями радіозв’язку між ними. Структурна схема наведена в тексті дисертаційної роботи. При її розробці вважали, що будь-який комутатор має входів і виходів. Кожна пара сусідніх комутаторів має ліній радіозв’язку з операторами перетворення вхідного сигналу , ; , і де – вхідний сигнал складового радіоканалу, – адитивна перешкода на виході лінії радіозв’язку, – сигнал на виході складового радіоканалу. Характеристику виходу комутатора позначили через . Далі показали, що , – прості марківські ланцюги. Роботу кожного комутатора задали двома матрицями, тобто пара матриць є оператором перетворення сигналу . Перша матриця (; , – ймовірність з’єднання входу цього комутатора з його виходом) задає ймовірність з’єднання відповідних входів і виходів комутатора, тобто є матрицею перехідної ймовірності марківського ланцюга характеристик послідовних комутаторів. Друга матриця , ( – оператор перетворення сигналу, що поступив|вчинив| на вхід комутатора, який “переадресовує” його на свій вихід) задає оператори перетворення сигналу на відповідних з’єднаннях|сполученнях,сполуках| “вхід-вихід” комутатора. Далі показали, що , , , , де ? сигнал на вході l комутатора. Ввівши|запровадивши| позначення і підставивши його в попереднє, отримали .

Розв’язавши це рекурентне співвідношення, знайшли , , та отримали . Таким чином, показали, що складовий радіоканал можна замінити будь-яким з двох еквівалентних йому радіоканалів. У першому випадку всі проміжні комутатори і лінії радіозв’язку замінили| еквівалентним комутатором, який задали двома матрицями – , де , , – елементи матриці, що визначають ймовірність з’єднання|сполучень,сполук| входу y еквівалентного комутатора, на який надходить сигнал з вхідної абонентської лінії, з|із| його виходом. Адитивну перешкоду лінії замінили перешкодою , що еквівалентна дії сумарної адитивної перешкоди проміжних ліній радіозв’язку, включаючи перешкоду у вихідній абонентській лінії складового радіоканалу. У другому випадку оператор і адитивну перешкоду еквівалентного каналу, як випадкові величини, визначили за формулами:

; . Враховуючи відомий з літератури розподіл оператора і позначивши , відмітивши|помітивши| при цьому, що , знайшли:

.

Отриманий результат дозволив знайти характеристики сигналу на виході складового радіоканалу.

Далі в роботі проводиться|виробляється,справляється| математичне формулювання задачі синтезу квазіоптимальної системи передачі інформації. При цьому поняття “квазіоптимальності” має на увазі побудову|шикування| схем простіших в порівнянні з оптимальним, побудованим|спорудженим| з врахуванням імовірнісних характеристик сигналу, перешкод і спотворень, що діють в радіоканалі. В той же час завадостійкість і швидкість передачі при квазіоптимальній обробці майже не знижуються порівняно з оптимальною. На відміну від відомих робіт, було поставлене завдання|задача| мінімізації сумарної дії адитивних завад і спотворень не для якогось конкретного радіоканалу, а в середньому по ансамблю радіоканалів шляхом синтезу алгоритмів прийому і сигналів спеціальної форми, які найменше чутливі до конкретних видів завад і спотворень.

Для вирішення задачі синтезу квазіоптимальних СПДІ| вибирається критерій оптимальності. При виборі критерію відмічається, що не можна точно оцінити якість системи передачі інформації внаслідок того, що багато функцій, отриманих і використовуваних в роботі, є|з'являються,являються| випадковими величинами. У загальному|спільному| випадку більшість критеріїв якості задаються математичним очікуванням|чеканням| по у|в,біля| від деякої функції отримуваних і необхідних вихідних параметрів:

. (1)

У літературі серед всіх критеріїв синтезу оптимальних систем перевага віддається критерію мінімуму середньоквадратичної помилки, тобто коли випадкові величини зв’язані між собою співвідношенням вигляду|виду|

. (2)

Підстановкою виразу|вираження| (2) в (1) критерій був визначений як:

. (3)

Далі показується, що з врахуванням наведеного критерію при синтезі СПДІ| при повній|цілковитій| апріорній інформації про перешкоди і спотворення, можна користуватися середньоквадратичним критерієм якості систем. При цьому слід шукати оптимальну форму , що приводять|призводять,наводять| до мінімального значення D, а в тих випадках, коли в радіоканалі існують завади з|із| невідомими параметрами, оптимум може бути досягнутий шляхом відповідного вибору непараметричного алгоритму обробки. При цьому показується, що не виключена можливість|спроможність| досягнення оптимальності за рахунок вибору . Математичний критерій оптимальності (3) в цих випадках записується як , де invar означає незалежність якісної характеристики D системи параметрів , завад і їх функцій розподілу .

У наступному пункті другого розділу наводиться апарат аналізу розробленої квазіоптимальної системи передачі інформації, мінімально чутливої до лінійних спотворень. Передумовами до такого аналізу був той факт, що, не дивлячись на великий теоретичний і практичний інтерес, задача визначення системи, мінімально чутливої до лінійних спотворень без урахування адитивних завад, ще не розв’язана. Відсутність в літературі відомостей про багатоканальні системи радіозв’язку з лінійним розділенням каналів, що ефективно використовують частотний діапазон без застосування ЧРК, дозволило висловити гіпотезу про унікальність методів ЧРК і неможливість добитися меншої перехідної завади іншими способами лінійного розділення каналів. Для спрощення в роботі розглядається двоканальна система з сигналами-переносниками і . На основі доведеного припущення про те, що сигнали ортогональні і, отже, ортогональні їх спектри, було встановлено, що виконується умова нормування енергії сигналів. За наявності лінійних спотворень, коли може бути представлена у вигляді суми неспотворюючої передавальної функції і її обурення , в приймальному пристрої з’являється перехідна завада , оскільки права частина не дорівнює "0".

Введене поняття коефіцієнта роздільності (КР) , характеризує кількісну міру чутливості радіосистем до дії лінійних спотворень
( – множина передавальних функцій, що задовольняють умові: .

Введення КР дозволило встановити, що спектри сигналів і є такими, що не перекриваються, і показати, що ця ситуація має місце лише у системі з ЧРК, що використовує “ідеальні” фільтри. У вигляді теореми показується, що мінімально можливе значення КР є функцією, що монотонно росте та має вигляд: , . Доведення теореми елементарно просте, але довге і доказ тут не наводиться. Використання теореми дозволило побудувати множину графіків, аналіз яких показав, що радіосистема з малим рівнем перехідних міжканальних перешкод, спричинених лінійними спотвореннями в тракті, не може бути побудована без використання принципу ЧРК в тій або іншій формі та без внесення в передані сигнали деякого мінімально необхідного запізнювання. Доводиться, що мінімальне запізнювання тим більше, чим меншим повинен бути допустимий рівень міжканальних перехідних перешкод, тобто чим більший у них КР.

Алгоритм синтезу сигналу скінченої тривалості в обмеженому діапазоні частот розроблений з врахуванням установленої вимоги, що повна енергія функції, заданої на кінцевому інтервалі осі частот, повинна бути мінімальною, тобто, необхідно так підібрати форму імпульсу тривалості T, щоб для його спектру виконувалося співвідношення: , де – деяке позитивне число, що характеризує точність наближення, і величина min. При цьому вважалося, що , а також . В результаті отримано висновок, що функція є рішенням поставленої задачі при заданому , а її спектр обертає наведений вираз в рівність, тобто .

Алгоритм синтезу сигналу з мінімальною енергією в обмеженому діапазоні частот представлений як задача мінімізації енергії Е за умови . Показується, що задача має єдине рішення. Шукана функція є рішенням інтегрального рівняння: , , , (4)

а величина визначається з вище приведеної умови і є функціоналом від і . Для їх визначення розписано рішення рівняння (4) як функція і, після відповідних підстановок, наведених у роботі, рівняння (4) вирішене відносно . Показується, що задача має рішення лише для значень, що задовольняють умові: . Тому в дискретному випадку алгоритм містить два етапи: спершу шукається мінімум , ігноруючи умову , потім, якщо , передбачається повернення до початкового завдання з заміною на і на . Умова, отримана для визначення , має вигляд:

, ; .

У третьому розділі проводиться розробка алгоритму підвищення ефективності інформаційної системи, що використовує радіоканали з кутовими видами модуляції. В основу алгоритму покладений той факт, що пропускна спроможність безперервного каналу за наявності флуктуаційної перешкоди з рівномірним спектром визначається формулою Шеннона і, на підставі цього показується, що для збільшення пропускної спроможності радіоканалу необхідно або збільшувати ширину смуги, або збільшувати потужність сигналу в порівнянні з потужністю перешкод і, в свою чергу, при задоволенні існуючою пропускною спроможністю радіоканалу, можно зменшити ширину смуги за рахунок збільшення відношення сигналу до перешкоди, тобто за рахунок збільшення потужності передавача.

Оптимізація смуги частот, використовуваної для передачі сигналів методами кутової модуляції, проведена для напруги, що модулюється по частоті. Ввівши ряд позначень і перетворень, отримали , де і – періодичні функції. Для знаходження спектру сигналу вони розкладені в ряд Фур’є. Після відповідних підстановок отримали:

.

Звідси встановили, що амплітуда несучого коливання і амплітуди нижніх бокових і верхніх бокових коливань рівні:

; ; ,

де:

,

Т – тривалість елементарної посилки; – закон зміни фази.

Використання як модулюючого сигналу періодичної послідовності прямолінійних імпульсів дало можливість отримати такий закон зміни перехідної фази сигналу:

,

де – індекс модуляції.

Підстановка виразів і виконання необхідних перетворень дали можливість отримати формули для обчислення спектральних складових при довільних значеннях фазового стрибка:

, ;

Аналіз наведених виразів показав, що шкідливий вплив розриву фаз при формуванні ЧМ сигналу менше позначається при великих індексах модуляції, ніж при малих. Аналіз спектрів сигналів дозволив визначити граничну швидкість модуляції. Так, в результаті розгляду спектру ЧМ сигналу при передачі “точок” встановлено, що при , основна частина енергії міститься в перших двох компонентах спектру: несучій і перших бокових спектральних складових. З наукових джерел відомо, що достатньо передавати лише ці два компоненти спектру для забезпечення достовірного прийому. Виходячи з цього, було отримане значення мінімально необхідної смуги частот. Враховуючи відомий факт, що обмеження смуги частот при передачі дискретних сигналів призводить до виникнення перехідних процесів, встановлено, що нове значення частоти на виході радіоканалу встановлюється через деякий час і, у зв’язку з цим, по заданій ширині радіоканалу і за формою його частотних характеристик були розраховані конкретні криві перехідного процесу на виході радіоканалу. При аналізі отриманих результатів у роботі враховано, що наявність перехідних процесів призводить до того, що практичні швидкості модуляції виявляються нижчими гранично можливих.

Для того, щоб тривалість елементарної посилки була рівна мінімально можливій, тобто була рівна часу перехідного процесу, використовується час перехідного процесу для передачі інформації. Для цього використовується відомий метод передачі дискретних сигналів шляхом плавної зміни маніпулюючого параметра. У запропонованому методі один з елементів коду, наприклад, логічна 1 передається плавною зміною частоти, а логічний 0 – постійними значеннями частоти. Таким чином, один елемент коду відрізняється від іншого наявністю або відсутністю зміни частоти в межах тривалості посилки. Використання часу перехідного процесу для передачі інформації дозволяє скоротити час, необхідний для передачі 1 біта інформації. Так, наприклад, якщо тривалість посилки T буде рівна часу перехідного процесу tn, то при класичному методі передача інформації стає неможливою, в той час, як даний метод дозволяє вести передачу.

Аналіз отриманих результатів показує, що при однаковій швидкості модуляції метод передачі дискретних сигналів шляхом плавної зміни частоти дозволяє збільшити енергію сигналу в смузі пропускання приймача й уникнути втрати співвідношення сигнал/шум при зменшенні тривалості посилки.

Обґрунтування необхідності і використання сигналів з підвищеним ступенем розрізнюваності для інформаційних мереж проведене у випадку передачі ЧМ сигналів по каналу радіозв’язку з використанням ансамблю з m сигналів . Задача приймача полягала в тому, щоб на інтервалі спостереження по прийнятій реалізації x(t) він міг прийняти рішення про те, який з сигналів був переданий. При цьому враховувалося, що геометрично кожному одночастотному сигналу при багаточастотному методі передачі відповідає деякий вектор у просторі. Вектори сигналів займають у просторі певне положення і можуть бути визначені в деякому об’ємі Vi простору. Цей об’єм визначений характером взаємодії векторів сигналу і перешкоди. Щоб забезпечити відмінність сигналів у приймачі, кожному вектору сигналу був поставлений у відповідність певний об’єм Vi. Сигнал правильно приймався лише у тому випадку, коли вектор прийнятого сигналу і перешкоди потрапляли у відповідний даному сигналу об’єм. При попаданні вектора сигналу і перешкоди в сусідні об’єми приймач видавав помилкове рішення. Було встановлено, що відстань між векторами залежить від їх довжин і кута між ними. Припускалося, що вектор перешкоди, що діє в тій же смузі частот, що і сигнал, додається до вектора сигналу. Оскільки вектор перешкоди на відміну від вектора сигналу є випадковим, то він приймав будь-яку величину і напрям. Встановлено, що при взаємодії перешкоди з сигналом виникає деяка область невизначеності, в яку потрапляють прийняті сигнали X=S+n. Цю взаємодію виразили оператором . Оператор перетворює простір переданих сигналів S в простір прийнятих сигналів X. Помилкове відтворення прийнятого повідомлення спостерігалося за наявності перешкод. Моделювання на ЕОМ показало, що помилка відбувається у тому випадку, коли результуючий вектор виявляється ближчим до кінця того вектора, який в даний момент не передається. Встановлено, що помилка при прийомі тим менше, чим більша відстань між сусідніми сигналами. У свою чергу встановлено, що відстань визначається такими чинниками, як спосіб модуляції і тривалість повідомлення. Таким чином отримали, що чим більше , тим більша відмінність, яку можна обчислити за формулою:

,

де Ei і Ej – відповідно енергії Si і Sj сигналів. Останній член виразу визначає взаємну кореляцію між сигналами.

Таким чином, встановлено, що відмінність між сигналами визначається коефіцієнтом взаємної кореляції S між ними. Використовуючи середовище математичного моделювання MathCad, були побудовані графіки залежності коефіцієнта взаємної кореляції S від значень індексу модуляції (рис. 1).

Аналіз графіків показав, що відповідним вибором сигналів можна істотно підвищити завадостійкість системи радіозв’язку або, зберігши колишньою, зменшити співвідноше-ння сигнал/шум, тобто збільшити -ефективність системи.

У четвертому розділі, на основі отриманих результатів, запропоновано практичне використання розроблених ефективних методів підвищення достовірності та швидкодії прийому сигналів в сучасних інформаційних мережах. Аналізу підлягав розроблений цифровий частотний приймач, що дозволяє підвищити достовірність та швидкодію прийому сигналів. Його структурна схема наведена в тексті роботи. Оцінка завадостійкості цифрового приймача визначалася в два етапи. На першому етапі була розрахована ймовірність помилкового прийому одного дискрета, на другому етапі була знайдена ймовірність помилки при прийомі посилки в цілому. При цьому вважалося, що в каналі наявна флуктуаційна перешкода. При передачі сигналу з частотою повна ймовірність помилкового прийому дискрета визначалася, як , де ; – функція розподілу інтервалу часу :

,

де – вироджена гіпергеометрична функція; – відношення сигнал/шум; – середньоквадратична частота спектру шуму; – дисперсія шум у. Після відповідних підстановок і перетворень отримали формулу для визначення ймовірності помилки одного дискрета:

.

Базуючись на отриманому результаті, отримали формулу для визначення ймовірності помилки прийому посилки і знаходження ймовірності помилкового прийому в цілому:

.

За отриманою формулою проведений розрахунок імовірності помилки і результати представлені у вигляді графіків (рис. 2).

У четвертому розділі також розробляється і наводиться опис методу підвищення загальної ефективності інформаційних систем з використанням адаптивних і непараметричних алгоритмів обробки сигналів. При невідомих параметрах і розподілах заважаючих впливів, підвищення ефективності інформаційних систем, що базуються на використанні радіоканалів, досягається за рахунок зміни структури приймального пристрою. Процес прийому полягає в послідовному зіставленні частоти сигналу, що приймається, з частотними характеристиками контуру демодулятора. У передавальній же частині апаратури цифрові сигнали ставляться у відповідність з цілком визначеною для кожного з них величиною частоти сигналу-переносника. Наголошується, що недоліком такого методу є той факт, що сигнал, розповсюджуючись по лінії, зазнає різноманітних змін, в той час, як параметр приймального пристрою, з яким порівнюється сигнал, залишається незмінним. Це приводить до збільшення ймовірності помилки. Враховуючи те, що за час, рівний одиничному елементу сигналу, властивості каналу істотно змінюватися не можуть, порівнюються параметри посилки, що приймається, не з параметрами приймального пристрою, а з параметрами попереднього цифрового сигналу і на підставі результатів цього порівняння робиться висновок про стан прийнятого сигналу. В цьому випадку ймовірність помилки зменшується до суттєво малої величини.

В додатку 1 наводиться опис імітаційної моделі джерела квазіперіодичних випадкових помилок для каналу з багатобуквеним алфавітом станів. Необхідність використання імітаційної моделі цифрового каналу передачі даних значно спростило задачу аналізу систем радіозв'язку з кутовими видами модуляції, оскільки попереднє проведення необхідних модельних експериментів дозволило відповісти на питання про коректувальні здатності досліджуваних об'єктів, і здійснити їх раціональний підбір для конкретного цифрового каналу. З врахуванням положень, наведених в додатку 1, була побудована комп'ютерна модель цифрового завадостійкого каналу передачі даних, що дозволило моделювати різні види помилок і досліджувати канали методом статистичних випробувань.

В зв'язку з тим, що відладка алгоритмів систем передачі даних проводилася на ЕОМ, то випробування окремих процедур обміну даними необхідно було проводити на основі моделювання на ЕОМ алгоритмів обміну даними і процедури передачі по дискретному каналу з заданими статистичними характеристиками виникаючих помилок. При цьому найбільш складною була задача розробки алгоритму імітаційного моделювання випадкового процесу виникнення помилок з урахуванням їх групування. Опис рішення вказаної задачі наводиться в додатку 2.

В додатку 3 наводиться програма візуальної оцінки завадостійкості наскрізного гіпотетичного радіоканалу.

Додаток 4 містить акти впровадження результатів дисертаційного дослідження в наукові розробки.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена задача розробки методів підвищення ефективності функціонування інформаційних радіомереж, а саме: створені математична модель, алгоритми та метод, що дозволяють розробляти та використовувати на практиці процедури підвищення загальної ефективності інформаційних систем та мереж та на цій основі розроблена методика практичної реалізації приймальних пристроїв. В рамках роботи отримані такі результати:

1. Показано, що недостатнє або досить часто неефективне використання радіоканалів для передачі пакетів дискретних повідомлень є наслідком відносно невисокої завадозахищеності радіоканалів з причини використання в системах передачі з кутовими видами модуляції малопотужних передавальних пристроїв, що змушує для отримання достатньо великої завадостійкості і надійності вести роботу при високих співвідношеннях сигнал/шум. Доведено, що застосування більш досконалих методів передачі-прийому сигналів дає можливість отримати виграш у завадозахищеності.

2. На основі проведеного аналізу ефективності використання смуги частот радіоканалів, що мають великі захисні міжканальні смуги, запропоновано шляхи і способи усунення частотних надлишків за рахунок зменшення рівня позасмугового випромінювання, що дозволяє збільшити пропускну спроможність реального радіоканалу.

3. Отримано співвідношення для знаходження основних характеристик радіосигналу на виході складового радіоканалу, що дозволяє досліджувати їх з необхідною точністю і отримувати результати, що відрізняються достатньою достовірністю.

4. Розроблено математичну модель, адекватну вирішуваним реальним задачам передачі інформації в системах CDMA, DECT, GSM і їм подібних, в якій замість довільного розподілу ймовірностей, заданих в полі всіх можливих входів і виходів проміжних комутаторів, розглядаються імовірнісні характеристики кожного проміжного комутатора, що дозволяє добитися однозначного відображення вихідного сигналу з урахуванням всіх впливаючих параметрів складового тракту.

5. Доведено на основі проведеного аналізу інформаційних радіосистем з малим рівнем перехідних міжканальних перешкод, спричинених лінійними спотвореннями в тракті, що окремі пристрої системи не можуть бути побудовані без внесення в передані сигнали деякого запізнювання. Розроблено методику розрахунку запізнювання і показано його вплив на допустимий рівень міжканальних перехідних перешкод.

6. Отримано аналітичний вираз для обчислення спектральних складових сигналу при довільних значеннях фазового стрибка. Встановлено, що наявність таких стрибків фази призводить до коливань амплітуд спектральних складових, що приводить до збільшення ширини спектру випромінюваних сигналів.

7. Отримані нові аналітичні вирази для визначення ширини спектру інформаційного сигналу, коли він є функцією величини стрибка фази та індексу модуляції та встановлено, що при рішенні задачі визначення ширини спектру інформаційного сигналу, необхідно розв’язати рівняння четвертого ступеня, що пов’язано з певними труднощами.

8. Розроблено метод оцінки завадостійкості синтезованого цифрового приймача, що дозволяє розрахувати ймовірність помилкового прийому одного дискрета і посилки в цілому з урахуванням наявності в каналі флуктуаційної перешкоди, заданої в аналітичному вигляді, при можливості введення в початкові дані статистичних особливостей каналу і перешкоди, заданих у вигляді