Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Радиотехника и телекоммуникации

Диссертационная работа:

Анджейчак Богуслав. Разработка и исследование методов оценивания случайных параметров каналов с межсимвольной интерференцией : ил РГБ ОД 61:85-5/5034

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОЧНОСТИ ОЦЕНИВАНИЯ СЛУЧАЙНЫХ
ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА НА КАЧЕСТВО ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ
СООБЩЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ОРТОГОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ .... 18

  1. Постановка задачи 18

  2. Разработка модели гауссовского канала с межсимвольной интерференцией и случайными параметрами 19

  3. Системы дискретных сигналов для гауссовского канала с межсимвольной интерференцией

и оценка их эффективности в канале с извест
ными параметрами. ;,"-', 24

  1. Анализ влияния"Точности оценивания параметров канала связи на помехоустойчивость ортогональных сигналов 55

  2. Выводы. 64

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНИВАНИЯ ПА
РАМЕТРОВ КАНАЛА ПРИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ НАСТРОЙКЕ
ПРИЕМНИКА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ 65

  1. Постановка задачи 65

  2. Неитерационное оценивание параметров канала

по тест-сигналу во временной области 67

2.3. Неитерационное оценивание параметров канала

по тест-сигналу в частотной области 72

  1. Анализ точности оценивания параметров канала по тест-сигналам 84

  2. Анализ влияния точности оценивания параметров канала на помехоустойчивость системы

связи с ортогональными сигналами 100

2.6. Оценка вычислительной сложности алгоритмов

предварительной настройки приемника 109

  1. Сравнение разработанных алгоритмов предварительной настройки приемника 112

  2. Выводы ИЗ

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНИВАНИЯ ПА
РАМЕТРОВ КАНАЛА ПРИ ПЕРЕДАЧЕ РАБОЧЕГО СИГНАЛА ... 114

  1. Постановка задачи 114

  2. Оценивание параметров канала по рабочему сигналу без введения специальной избыточности . . 115

  3. Использование специально введенной избыточности для оценивания параметров канала .... 122

  4. Анализ точности оценивания параметров канала при передаче рабочего сигнала 127

  5. Анализ влияния точности адаптации приемника на помехоустойчивость системы связи с ортогональными сигналами 137

  6. Оценка вычислительной сложности алгоритмов адаптации приемника 146

  7. Сравнение разработанных методов адаптации приемника 147

  8. Выводы 148

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТОДОВ
ОЦЕНИВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА 151

  1. Постановка задачи 151

  2. Характеристика рабочих программ 153

  3. Моделирование канала с медленно меняющимися параметрами 159

  4. Алгоритмы моделирования методов оценивания параметров канала по тест-сигналам 161

  1. Алгоритмы моделирования методов оценивания параметров канала при передаче рабочего сигнала. .171

  2. Комплексное моделирование настройки и адаптации приемника ортогональных сигналов ..... .185

  3. Пример реализации методов оценивания параметров канала 192

  4. Выводы 199

  1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 200

  2. ЛИТЕРАТУРА 202

  3. ПРИЛОЖЕНИЯ 210

  1. Приложение 1 210

  2. Приложение 2. . 246

Введение к работе:

Актуальность темы. Дальнейшее развитие единой автоматизированной сети связи (EACG) СССР требует создания новейших систем передачи информации на базе достижений микроэлектроники и вычислительной техники. Важной и актуальной проблемой является увеличение эффективности использования существующих линий связи. Одним из наиболее важных средств в решении этой задачи является разработка высокоэффективной и надежной аппаратуры передачи дискретных сообщений (в том числе средств согласования передатчика и приемника с каналом связи), позволяющей увеличить скорость передачи информации по частотноограниченным каналам при одновременном обеспечении заданной помехоустойчивости и других качественных показателей системы.

В настоящее время разработано и применяется большое количество методов передачи дискретных сигналов и методов сопряжения приемника и передатчика с частотноограниченным каналом, в котором возникает межсимвольная интерференция (МСИ). Необходимо отметить, что к каналам с МСИ относится довольно широкий класс существующих каналов (стандартные каналы тональной частоты, широкополосные каналы и тракты ЕАСС, радиоканалы, коротковолновые, тропосферные, спутниковые). Однако эффективная борьба с МСИ возможна только с помощью сложных алгоритмов, трудно реализуемых на практике (алгоритм Витерби). В случае применения более простых способов (корректоры на фазовых звеньях, транс-версальные фильтры, гармонические корректоры) подавление МСИ зависит от количества звеньев фильтра (числа отводов корректора), а с ростом числа звеньев увеличивается задержка сигнала и время вхождения в связь, повышается сложность корректора.

Согласно вышеизложенному, актуальной задачей современной

- б -

техники передачи дискретных сообщений является разработка и исследование методов согласования передатчика и приемника с каналом связи. Эффективное согласование модема с каналом с МОИ может обеспечить метод векторной передачи с предыскажениями сигнала, изложенный в[34,3б] . Ввиду применения ортогональных преобразований инвариантных к каналу отличается он малой сложностью, однако требует точного определения параметров канала связи.

Среди существующих каналов имеются такие, характеристики которых практически не меняются во времени но заранее точно неизвестны (каналы тональной частоты, широкополосные каналы и тракты EAGC и др.). В этих случаях актуальной задачей является разработка простых методов быстрой предварительной настройки корректора сигнала с целью уменьшения времени, затрачиваемого на вхождение в связь до начала сеанса передачи информации. Кроме того, необходимы эффективные методы адаптации приемника, которые позволяют поддерживать заданную помехоустойчивость системы в каналах с меняющимися параметрами. Традиционными являются итерационные алгоритмы настройки корректора. Метод векторной передачи с использованием ортогональных преобразований сигнала дает возможность применить неитерационные способы оценивания параметров канала.

Настоящее исследование направлено на решение задачи неитерационного оценивания случайных параметров канала (предварительная настройка приемника и его адаптация) в системе связи. с ортогональными преобразованиями сигналов.

Цель работы. Целью данной работы является разработка и исследование эффективных неитерационных методов оценивания случайных параметров канала при вхождении в связь (предварительная настройка приемника) и при передаче рабочего сигнала (адаптация приемника), допускающих цифровую реализацию с малой слож-

- 7 -ностью.

Метод исследования. В работе использовались методы линейной алгебры (теория матриц), ортогональные преобразования, в частности дискретное преобразование Фурье, а также теория вероятности. Наряду с теоретическими исследованиями широко применялись алгоритмы статистического оценивания характеристик разработанных методов настройки и адаптации приемника путем вычислительного анализа и имитационного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна данной работы состоит в следующем.

Предложена универсальная модель гауссовского канала с МСИ и меняющимися параметрами, позволяющая имитировать широкий класс каналов, в том числе каналы с селективными замираниями.

Разработаны, быстрые неитерационные методы предварительной настройки приемника в системе с ортогональными сигналами, отличающиеся малой вычислительной сложностью.

Разработан метод прореживания вектора предварительных оценок канала, повышающий точность настройки корректора.

Получены верхние границы вероятности ошибки и среднеквад-ратической погрешности (СКП) оценивания сигнала на выходе приемника в зависимости от точности его предварительной настройки. Аналитические результаты подтверждены моделированием на ЭВМ.

Разработан эффективный метод оценивания меняющихся параметров канала непосредственно по рабочему сигналу, не содержащему тестовой избыточности.

Разработан метод адаптации приемника по избыточности, специально введенной в передаваемое сообщение.

Произведена оптимизация алгоритмов адаптации. Определена помехоустойчивость системы ортогональных сигналов при адаптации приемника предложенными методами.

Получены оценки вычислительной сложности для всех разрабо-

- 8 -тайных методов.

Основные вопросы, выносимые на защиту.

  1. Модель гауссовского канала с межсимвольной интерференцией и случайными параметрами.

  2. Влияние точности оценивания параметров канала на помехоустойчивость системы, использующей метод векторной передачи с предыскажениями и ортогональными преобразованиями сигналов.

  3. Неитерационные методы предварительной настройки приемника по временному и частотному тест-сигналам.

  4. Результаты исследования методов оценивания параметров канала по тест-сигналам.

  5. Методы адаптации приемника непосредственно по рабочему сигналу и по избыточности, введенной в рабочий сигнал.

  6. Результаты анализа точности оценивания параметров канала при передаче рабочего сигнала.

Практическая ценность. Проведенные исследования показали перспективность использования разработанных в диссертации неитерационных методов настройки и адаптации приемника дискретных сигналов.

Практическая реализация предлагаемых методов предварительной настройки позволит при заданной помехоустойчивости существенно уменьшить время вхождения в связь и избежать несходимости процесса настройки, что свойственно итерационным алгоритмам в случае неточно заданных начальных параметров.

Применение разработанных методов адаптации по рабочему сигналу даст возможность поддерживать заданный уровень помехоустойчивости во время передачи полезного сигнала. Метод подстройки приемника непосредственно по рабочему сигналу отличается тем, что отсутствуют потери информационной скорости, так как передаваемое сообщение не содержит тестовых компонент.

Все разработанные алгоритмы эффективны с точки зрения их

цифровой реализации, поскольку вычислительная сложность, выражаемая количеством действительных умножений на один коэффициент корректора пропорциональна логарифму числа компонент передаваемого сигнального блока.

Применение предложенных в работе методов предварительной настройки и адаптации позволило обосновать структуру и параметры, а также программно реализовать адаптивный корректор для широкополосного модема и исследовать его характеристики методами математического моделирования.

Реализация результатов работы. Разработки и исследования, проводимые в диссертации, являются составной частью научно-исследовательской работы, выполняемой МЭИС по договору с Куйбышевским отделением научно-исследовательского института радио.

Материалы диссертации включены в отчеты по НИР за 1982-1984 годы. Отчеты переданы заказчику и внедрены в ОКР.

Использование результатов работы подтверждается соответствующим документом.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Х-й научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, 25-26 апреля 1984 г., на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников научно-исследовательского сектора и аспирантов по итогам научных исследа ваний, 1982-1985 годы, на научно-технических семинарах кафедры ПДИ и Т МЭИС.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений, изложенных на 260 страницах. Она содержит 148 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 62 страницы рисунков, 50 страниц приложений. Список литературы

включает 71 наименование.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Одним из важных направлений развития современной теории и техники связи является разработка эффективных методов передачи дискретных сообщений в каналах с МОИ. Межсимвольная интерференция, возникающая из-за ограниченности полосы канала и неидеальности его характеристик была впервые детально изучена Г. Найквистом І47І , показавшим ограничения, которые накладывает МСИ на скорость передачи сообщений в каналах с линейными искажениями. Основные теоретические результаты, связанные с исследованием МСИ и методами борьбы с нею изложены в книгах Л. Френкса [і] , А. Витерби и Дж. Омуры Г 24 , В. Беннета и Дж. Девея [48] , Р. Лаки и др. [49] .

Наиболее распространенными на практике методами борьбы с МСИ является коррекция характеристик канала или принимаемого на его выходе сигнала, обеспечивающая для системы канал + корректор выполнение критерия Найквиста, т.е. отсутствие МСИ III . Как правило корректоры реализуются в виде линий задержки с отводами или их цифровых аналогов (гармонические корректоры -ГК). ГК исследованы и подробно описаны в работах В. Киселя [ ЗІ , М. Ди Торо [4] , Ю. Тамма [б] , П. Боккера [б,7] , В. Свири-денко и др. [8,9 и других авторов 57,58І , показавших целесообразность и эффективность применения ГК в случае, когда амплитудно-частотные искажения сигнала сравнительно малы.

Поскольку характеристики реальных каналов отличаются значительным разбросом и заранее не известны |_20j , то гармонические корректоры строятся в виде автоматических адаптивных устройств, работа которых состоит из двух этапов: предварительной настройки по тест-сигналу перед началом сеанса связи и адап-

- II -

на и Ф. Мейджи и другие [66,69

тации к изменениям канала связи в процессе передачи рабочего сигнала [59J . Скорость предварительной настройки ГК является одним из важнейших параметров, определяющих его эффективность. Именно поэтому методам быстрой настройки гармонических корректоров посвящено большое количество работ, среди которых следует выделить работы А. Гершо pOj , В. Киселя [з] , Р. Гитли-

65І , Д. Годарда [67І , Д. Фальконера [68J , где показано, что ускорение настройки ГК сопряжено со значительным ростом сложности вычислений. Причиной роста сложности является то, что оптимальные параметры ГК (коэффициенты в его отводах) представляют собой решение системы линейных уравнений, матрица которой определяется неизвестным заранее импульсным откликом канала I-9J . Для решения указанной системы используются итерационные методы, лучшие из которых \бЩ требуют значительного числа итерации (не менее 100) и большого числа арифметических операций в каждой итерации. Неитерационные методы настройки ГК уступают итерационным по точности и сложности [в] и практического применения не нашли.

Существует достаточно широкий класс каналов и систем передачи дискретных сообщений, в которых применение гармонической коррекции неэффективно. Такими каналами являются каналы с сильными искажениями амплитудно-частотной характеристики в рабочей полосе и каналы, в которых такие искажения появляются вследствие эффектов распространения радиоволн. В качестве примера могут быть приведены каналы ТЧ при использовании всей полосы 0,3 - 3,4 кГц, а не центральной части полосы пропускания, где искажения минимальны, широкополосные каналы с режекторными фильтрами [20J , а также радиоканалы с замираниями и рассеянием [21, 24-2б] .

Для борьбы с МСИ, порожденной сильными искажениями амплитудно-частотной характеристики, необходимо применять оптимальные методы приема, разработанные Д. Кловским [lO,IIJ , Дж. Форни [2І и другими авторами [51-56] .

Основная проблема, стоящая на пути практического использования оптимальных приемников, состоит в их сложности, экспоненциально зависящей от длины отклика канала и кратности модуляции. При использовании многопозиционных амплитудно-фазовых (АФМ) сигналов I23] применение оптимальных в строгом смысле приемников практически невозможно. Это обстоятельство явилось причиной создания множества субоптимальных методов І9,52-56І , среди которых следует выделить прием с обратной связью по решению [53І и компенсацию МСИ с повторным декодированием [?1] .

Принципиально важным для всех этих методов является необходимость точного измерения импульсной реакции канала [б9І . Эта задача решается в каналах с медленно меняющимися параметрами с помощью адаптации приемника непосредственно по рабочему сигналу [54-56,67,68] , а в каналах с быстрыми изменениями параметров с помощью специальных зондирующих сигналов (тест-сигналов), как, например, в методе СИЙП [l0,llj .

Альтернативой применению описанных оптимальных методов является использование так называемых многоканальных (многочастотных) модемов, в которых линейные искажения канала допускают достаточно простую компенсацию с помощью локальной коррекции ортогональных сигналов 13-16,60-64І . Как показано в [ilj , многоканальные модемы уступают одноканальным по помехоустойчивости, а оптимальный прием в условиях межсимвольной и межканальной помехи представляет собой чрезвычайно сложную задачу

И

Вместе с тем следует отметить, что ортогональные сигналы,

- ІЗ -специальным образом согласованные с каналом являются исключительно эффективными в каналах с линейными искажениями. Сказанное следует прежде всего из общих результатов теории информации |I»2j , состоящих в том, что оптимально согласованные с искажающим каналом ортогональные сигналы позволяют достичь его пропускной способности.

Предложенные и исследованные Д. Коробковым [31-37,41-44] методы передачи дискретных сообщений в каналах с МСИ позволяют при ограниченной сложности достичь результатов лучших, чем при названных выше методах передачи. Это связано с использованием системы ортогональных сигналов-переносчиков, обладающих тем свойством, что они сохраняют ортогональность .на выходе канала с МСИ. Канал с МСИ преобразуется при этом в совокупность независимых каналов без памяти, т.е. без МСИ. Полученные эквивалентные параллельные каналы без памяти отличаются один от другого скалярными коэффициентами передачи, зависящими от импульсной реакции канала [33,41J

Ортогональные сигналы-переносчики позволяют достичь максимума скорости передачи при ограниченной средней мощности на входе канала и вероятности ошибки в символе на выходе декодера [33] , а также построить субоптимальную систему сигналов [Зб] с использованием предыскажений (метод предыскажений), которая превосходит по скорости лучшие из названных выше методов передачи при той же вероятности. Характерно, что сложность метода предыскажений, реализованного с помощью дискретного преобразования Фурье ІІ9] (метод предыскажений в частотной области -МПДПФ) 31,41,42J не превосходит сложности гармонической коррекции.

Вместе с тем в литературе отсутствуют результаты исследования влияния точности оценивания параметров канала на помехо-

- 14 -устойчивость МПДПФ.

МПДПФ предоставляет возможность для эффективной настройки и адаптации [35,37,41-44] , прежде всего итерационными способами, основанными на фильтрации Калмана-Бьюси.

Важным свойством ортогональных сигналов-переносчиков является то, что для их коррекции используется умножение на коэффициенты коррекции, обратные коэффициентам канала Г31-33, 4IJ . Эта простая связь коэффициентов корректора с измеряемыми параметрами канала дает основание считать, что при использовании МПДПФ неитерационные методы настройки и адаптации могут явиться разумной альтернативой итерационным методам. Неитерационные методы предварительной настройки корректора при МПДШ в литературе не описаны.

При МПДПФ по каналу передаются блоки отсчетов сигнала, длина которых существенно больше длины (числа отсчетов) импульсной реакции канала [36,4lJ . Это обстоятельство позволяет считать наблюдаемый на выходе канал избыточным для измерения отклика канала и использовать эту избыточность для уточнения параметров канала І37І . Эта задача особенно актуальна в каналах с замираниями, где необходимо измерение мгновенных параметров канала перед приемом полезного сигнала. Вместе с тем, избыточность, содержащуюся в сигнале или специально в него введенную можно использовать для улучшенного оценивания канала. Методы оценивания быстро меняющихся каналов по рабочему сигналу или по специально введенной избыточности, допускающие совместную оптимизацию с системой сигналов МПДШ в литературе не описаны.

Таким образом, основные задачи, решаемые в диссертации состоят в следующем.

Подобные работы
Левенталь Иосиф Яковлевич
Исследование методов и разработка средств автоматического контроля частотных характеристик каналов тональной частоты
Комаров Валентин Данилович
Исследование и разработка методов увеличения надежности и пропускной способности микропроцессорных систем передачи информации
Калинин Александр Анатольевич
Исследование и разработка метода повышения эффективности использования полос частот, выделенных для радиорелейных линий прямой видимости
Воднев Владимир Анатольевич
Исследование и разработка методов уменьшения комбинационных искажений в устройствах магнитной ЧМ записи с высокой информационной плотностью
Абрамов Валентин Александрович
Исследование фазового дрожания сигналов в цифровых системах связи и разработка методов его контроля и компенсации
Лазарев Андрей Михайлович
Разработка, исследование, оптимизация адаптивных корректоров межсимвольных искажений устройств преобразования сигнала для проводных систем передачи
Михальчан Вячеслав Степанович
Разработка и исследование алгоритмов и устройств настройки гармонических корректоров для высокоскоростных систем связи
Волошин Анатолий Иванович
Разработка и исследование алгоритмов и аппаратуры передачи дискретной информации неуправляемых источников по телефонным каналам связи
Кислин Борис Петрович
Исследование и разработка методики расчета характеристик программируемых средств сопряжения дискретных каналов с вычислительными комплексами сетей передачи данных
Соломатина Мария Петровна
Исследование взаимного влияния симметричными кабельными цепями и разработка методики расчета влияния для проектирования многоканальных систем связи с ИКМ

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net