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
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Сердюков Юрий Павлович. Методы и алгоритмы обработки сигналов, повышающие скорость передачи информации : дис. ... д-ра техн. наук : 05.13.01 СПб., 2005 247 с. РГБ ОД, 71:07-5/23

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ
ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ И
ФОРМУЛИРОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 16

1.1. Краткая характеристика современных каналов связи

и помех в них 16

  1. Анализ современных методов повышения скорости передачи информации по каналам связи 24

  2. Критерии оценки эффективности методов обработки и оптимальности сигналов 28

1.3.1 Эффективная длительность импульсных и
цифровых сигналов 29

1.3.2. Энергетические методы оценки эффективности
сигналов 36

1.4. Проблема повышения скорости передачи информации

по каналам связи с МСИ 38

1.5. Выводы и постановка задач 43

2. МОДЕЛИ КАНАЛОВ СВЯЗИ И ОЦЕНКИ УРОВНЯ

МЕЖСИМВОЛЬНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В НИХ 46

  1. Выбор интервала наблюдения при обработке сигналов методом циклического опроса 46

  2. Математические модели сигналов 50

  1. Модель амплитудно-импульсного модулированного сигнала 53

  2. Модель широтно-импульсного

модулированного сигнала 54

2.2.3. Модель фазо- и частотно-импульсного

модулированного сигналов 55

2.2.4. Модель кодово-импульсного сигнала 57

  1. Модели канала связи 58

  2. Оценка уровня межсимвольных искажений для идеализированной модели канала связи 69

  1. Межсимвольные искажения для сигналов с амплитудно-импульсной модуляцией 70

  2. Межсимвольные искажения для сигналов с широтно-импульсной модуляцией 79

  3. Межсимвольные искажения для сигналов с фазоимпульсной и частотно-импульсной модуляцией 82

  4. Межсимвольные искажения для сигналов с кодово-импульсной модуляцией 85

  1. Оценка физической скорости передачи информации 86

  2. Выводы 88

3. МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ И ЦИФРОВЫХ

СИГНАЛОВ СОГЛАСОВАННЫХ С ПАРАМЕТРАМИ
КАНАЛОВ СВЯЗИ 89

3.1. Обобщение соотношения неопределенностей,

как критерия оценки оптимальности сигналов 89

3.2. Метод формирования импульсных и цифровых сигналов

на основе конечных последовательностей 106

3.3. Импульсные и цифровые сигналы на основе конечных

последовательностей 114

3.3 Л. Сигналы на основе конечных последовательностей для
амплитудно-импульсной модуляции 115

  1. Сигналы на основе конечных последовательностей для широтно-импульсной модуляции 119

  2. Сигналы на основе конечных последовательностей для фазоимпульсной и частотно-импульсной модуляции 123

4
3.3.4. Сигналы на основе конечных последовательностей для
кодово-импульсной модуляции 126

  1. Постановка задачи формирования оптимальных сигналов.... 128

  2. Общее решение задачи формирования оптимального

сигнала и ее анализ 140

  1. Алгоритмы формирования оптимальных сигналов для импульсных и цифровых методов модуляции 150

  2. Выводы 155

4. МЕТОД ОБРАБОТКИ ИМПУЛЬСНЫХ И ЦИФРОВЫХ
СИГНАЛОВ ОСНОВАННЫЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИХ
ЧАСТОТНЫХ И ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 156

  1. Концентрирующие интегральные преобразования 156

  2. Влияние конечности и типа окон данных при

обработке информации 163

  1. Концентрирующие интегральные преобразования при циклическом опросе 166

  2. Метод формирования оптимальных дискретно-решетчатых окон данных, используемых при обработке сигналов 184

  3. Выводы 188

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ
МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ И СФОРМИРОВАННОГО

НОВОГО КЛАССА СИГНАЛОВ 189

5.1. Постановка задач по проведению экспериментальных
проверок полученных результатов 189

  1. Исследование эффективности дискретных оптимальных сигналов 191

  2. Исследование оптимальных дискретно-решетчатых

окон данных 204

5.4. Применение метода формирования дискретно-решетчатых
окон данных для построения ядер, улучшающих сходимость
рядов Фурье 209

5.5. Выводы 221

Заключение 223

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 226

ПРИЛОЖЕНИЕ 242

Введение к работе:

Успехи в развитии систем передачи информации, достигнутые за последние годы, привели к созданию разветвленных сетей связи, использующей современные информационные технологии, что в первую очередь, базируется на достижениях микроэлектроники и развитой инфраструктуре систем передачи и обработки информации.

Растущие объемы передаваемой информации по каналам связи и жесткие требования к их качественным характеристикам ставят перед проектными и эксплуатирующими организациями задачу совершенствования систем связи, как в техническом аспекте, так и в организационном. Реализация последнего требует дополнительных капиталовложений и дальнейшего развития инфраструктуры связи за счет строительства новых и модернизации уже существующих. Другим путем развития систем связи является внедрение самых передовых достижений в области теории. Основными стимулами развития этого направления является то, что внедрение результатов современных научных исследований позволяет использовать их не только в существующих информационных системах связи, но и качественно повышает эффективность новых.

Настоящая работа посвящена исследованию и разработке методов, обеспечивающих повышение скорости передачи информации по каналам связи. Известные методы передачи сигналов по каналам связи ориентированы на увеличение информационной скорости путем использования современных методов представления информации: кодирования с минимальной избыточностью, помехоустойчивое кодирование и использование современных достижений в микроэлектронике [60, 73, 74]. Эти методы не ориентированы на каналы связи с высоким уровнем межсимвольных искажений и потому не учитывают эту составляющую погрешности. Однако при передаче информации по высокоскоростным каналам связи не учитывать ее уже нель-

7 зя, В общей величине погрешности, составляющая, обусловленная межсимвольными искажениями, достигает десятков процентов [75].

Межсимвольные искажения в высокоскоростных каналах связи приводят к возникновению эффекта размывания сигнала. При этом такие характеристики передаваемого сигнала как его энергия, уменьшаются, а временная база (длительность) увеличивается. При их обработке временные точки синхронизации импульсов восстанавливаются с ошибками, амплитуды и ширина принятых сигналов идентифицируются неточно. В итоге это приводит к ухудшению качества принятой информации и тем самым существенно ограничивает скорость передачи информации [45,60].

Помимо межсимвольных искажений в принятом сигнале присутствуют шумы и помехи. Методы линейной фильтрации, используемые при обработке сигналов, отчасти решают проблему устранения этих источников ошибок. Однако использование узкополосных фильтров, эффективно устраняющих помехи и шумы приводят к дополнительному расширению временной базы принятого сигнала. Использование же широкополосных фильтров не приводит к подавлению помех и шумов. Таким образом, выбор параметров фильтрующих устройств, это задача нахождения некоторого компромисса, решение которой не приводит к существенному повышению эффективности обработки сигналов [76, ПО, 157]. Поэтому проблема повышения скорости передачи остается не решенной.

Повышение скорости передачи информации в диссертационной работе рассматривается в аспекте повышения физической скорости. Информационная скорость передачи вторична, так как определяется типом используемой модуляции и способом кодирования. Таким образом, проблема повышения скорости передачи информации решается на учете характеристик сигналов. Во-первых, в плане формирования сигналов с более высокими энергетическими показателями и критерием эффективности сигналов в этом случае является произведение эффективной ширины полосы частот занимаемой сигналом и его длительности. Кроме того, характеристики формируемых сигна-

8 лов должны быть ориентированы на каналы связи с высоким уровнем межсимвольных искажений. Во-вторых, в создании методов обработки сигналов обеспечивающих уменьшение влияния, как межсимвольных искажений в каналах связи, так и помех в нем.

Задача построения эффективных классов сигналов актуальна не только при передаче и обработке информации. Аналогичные проблемы имеют место также в системах автоматического управления и регулирования, радиолокации, геофизике и пр. Математической основой для ее решения являются теория оптимизации, вариационное исчисление, теория интегральных уравнений и преобразований [61, 68, 84, 165, 167]. Не последнюю роль играют также теория рядов [36, 170, 171], классическое интегральное и дифференциальное исчисление[54, 64, 101, 102], спектральный анализ [55, 56, 145-148] и математическая статистика [20, 22, 31, 33, 77, 88]. Схожесть ситуации по созданию эффективных методов обработки информации предполагает применение аналогичных подходов и математического аппарата.

Ряд авторов [18, 19, 22, 24-26, 29, 45, 46, 59, 60, 72-76, 81, 97, 98, ПО, 121, 157, 159, 173, 176, 178, 186], предлагающих в своих работах подходы к решению указанных проблем, упор делают на увеличение информационной скорости передачи информации. Как правило, они ограничиваются рассмотрением методов представления сигналов и помехоустойчивого кодирования без оценки их эффективности. В то же время, выбор какого-либо метода для практического использования обычно осуществляется на основе анализа характеристик, определяющих его эффективность, к которым, в первую очередь, следует отнести для сигналов - соотношение неопределенностей, а для методов обработки сигналов - их эффективность по сравнению с используемыми методами.

Существует значительное количество публикаций, посвященных вопросам построения оптимальных сигналов для систем передачи [8,10,37,39, 46,50, ПО, 120,154,168,178, 179,181] и обработки информации [6,8,18,19, 29, 38, 39, 45, 48, 53, 63, 69, 73, 91, 97, 98, 103, 169, 172, 173, 174, 176, 179,

9 180, 183, 184, 186] в которых также учитывались свойства и характеристики каналов связи с присутствующими в них межсимвольными искажениями. Появление оптоволоконных линий связи, обеспечивающих высокую скорость передачи информации, привело к тому, что роль этих ошибок существенно возросла. Каналы связи на их основе являются каналами стационарного типа, т. е. их временные параметры практически стабильны, а амплитудно-частотные характеристики близки к характеристикам идеального канала связи с аддитивной составляющей шума. При этих условиях адаптивные методы обработки информации неэффективны и не учитывают возросшего влияния межсимвольных искажений.

Решения задач формирования оптимальных сигналов и построение эффективных методов обработки существенно зависит также от степени адекватности математического описания объекта и модели процесса; математического аппарата используемого для решения поставленной проблемы; эффективности выбранного метода решения [62].

В ряде работ, таких как [18, 24-26,29,48, 59, 60, 76, 103, 157, 159,165] подробно рассмотрены многочисленные методы обработки информации, методы решения оптимизационных задач и другие алгоритмы. Однако в этих монографиях не рассматриваются специфические проблемы, возникающие при синтезе оптимальных сигналов, свойства которых ориентированы на каналы связи с высоким уровнем МСИ и построении для них эффективных методов обработки.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов повышения скорости передачи информации по каналам связи при сохранении требуемого качества информации в двух основных направлениях: формирования оптимальных сигналов для передачи информации с учетом межсимвольных искажений и эффективных методов обработки сигналов на приемной стороне, а также алгоритмов для их реализации. В соответствии с этим в работе ставятся и решаются следующие задачи:

разработка метода обработки сигналов с импульсной и цифровой модуляцией ориентированного на высокоскоростные каналы связи, где существенную роль источника погрешности играют межсимвольные искажения (МСИ);

построение окон данных для спектрального анализа, являющегося неотъемлемой частью процедуры обработки сигналов на приемной стороне и характеристики которых удовлетворяют соответствующим требованиям;

разработка моделей сигналов с импульсной и цифровой модуляцией, согласованных с параметрами канала связи и характеристиками МСИ;

разработки метода формирования сигналов с импульсной и цифровой модуляцией и оптимизированными параметрами для принятых моделей каналов связи с межсимвольными искажениями;

обобщение энергетического критерия оценки эффективности сигналов на основе соотношения неопределенностей, учитывающее временные и спектральные характеристики анализируемых сигналов;

исследование на основе машинного эксперимента эффективности методов обработки сигналов и сформированных сигналов для каналов связи с межсимвольными искажениями.

В диссертационной работе предложены, разработаны и исследованы методы обработки сигналов и формирования класса оптимальных дискретных сигналов. Принципиальный вклад в развитие исследований в области построения оптимальных сигналов и методов обработки составляют следующие новые научные результаты, полученные автором:

метод формирования нового класса импульсных и цифровых сигналов согласованных с каналами связи с МСИ, отличающийся правилом композиции структуры сигнала, что обеспечивает более высокие показатели селективности на фоне помех;

метод обработки импульсных и цифровых сигналов, названный методом концентрирующих интегральных преобразований, базирующийся на использовании их частотных и временных характеристик, отличающийся вве-

дением дополнительного интегрального преобразования и последовательностью их использования, что позволяет сконцентрировать энергию обрабатываемого сигнала в более коротком временном интервале;

метод построения класса дискретно-решетчатых окон данных с характеристиками согласованными с частотно-временными параметрами обрабатываемых сигналов, отличающийся представлением окон данных в виде ограниченной последовательности взвешенных операторов усечения с оптимизированными параметрами, что позволяет уменьшить влияние искажений связанных с конечностью окон данных;

метод формирования ядра сходимости ряда Фурье, отличающийся представлением его в виде некоторой взвешенной последовательности ядер Дирихле различной длительности и с оптимизированными амплитудно-временными параметрами, обеспечивающих заданную точность приближения при меньшем числе членов суммы и их равномерную сходимость;

обобщение энергетического метода оценки эффективности сигналов на основе соотношения неопределенностей, отличающееся использованием в нем весовых функций, учитывающих временные и спектральные характеристики анализируемых сигналов, что позволяет расширить класс сигналов, для которого оно может быть использовано до класса сигналов с конечной энергией. При этом нижняя граница его оценки эффективности сигналов совпадает с оценкой даваемой стандартными методами;

алгоритмы формирования оптимальных сигналов на основе конечных импульсных последовательностей для различных типов импульсной и цифровой модуляции и обработки сигналов на основе метода концентрирующих интегральных преобразований.

На защиту выносятся следующие новые научные положения: 1. Модели сигналов для различных типов импульсной и цифровой модуляции ориентированные на каналы связи с межсимвольными искажениями.

  1. Метод формирования нового класса импульсных и цифровых сигналов согласованных с каналами связи с МСИ.

  2. Метод обработки импульсных и цифровых сигналов, базирующийся на использовании их частотных и временных характеристик.

  3. Метод построения класса дискретно-решетчатых окон данных с характеристиками согласованными с частотно-временными параметрами обрабатываемых сигналов.

  4. Обобщение энергетического метода оценки эффективности сигналов на основе соотношения неопределенностей, учитывающее их временные и спектральные характеристики.

  5. Метод формирования ядра сходимости ряда Фурье, базирующийся на представлении его в виде некоторой взвешенной последовательности ядер Дирихле с оптимизированными параметрами.

  6. Результаты экспериментальной оценки эффективности методов обработки сигналов и сформированного нового класса сигналов для каналов с межсимвольными искажениями.

Основная практическая ценность выполненной работы заключается в разработке эффективных методов и алгоритмов обработки импульсно-модулированных и цифровых сигналов на приемной стороне и построении класса дискретных импульсных сигналов на основе конечных последовательностей. Использование предложенных методов позволяет повысить скорость передачи информации по каналам связи и качество принимаемой информации в создаваемой аппаратуре связи, а для находящейся в эксплуатации - ее модернизация на основе полученных результатов позволит качественно улучшить технические параметры.

Результаты диссертационной работы в виде конкретных положений, выводов, методов, алгоритмов, программ и расчетных данных внедрены в инженерную практику и используются на промышленных предприятиях в г. Санкт-Петербурге, а также в учебном процессе (см. акты практического использования).

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на:

III Международной научно-практической конференции "Современные информационные и электронные технологии", 21-24 мая, Одесса, 2002 г.;

VI Международной научно-практической конференции "Системы и средства передачи и обработки информации", 3-8 сентября, Одесса, 2002 г.;

V Международной научно-практической конференции "Современные информационные и электронные технологии", 17-21 мая, Одесса, 2004 г.;

VIII Международная научно-практическая конференция «Системы и средства передачи и обработки информации», 7-12 сентября, Одесса, 2004 г.:

Международная конференция SCP 2005, «Устойчивость и процессы управления», 29 июня -1 июля, Санкт-Петербург, 2005 г.

Основное содержание диссертации отражено в 20 печатных работах.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения. Текстовой материал изложен на 247 машинописных страницах.

В первой главе приведена краткая характеристика современных каналов связи и основных источников помех в них. Дан обзор методов повышения скорости передачи информации по каналам связи и факторов ее определяющих. Сформулированы перспективные направления исследований, обеспечивающие повышение скорости передачи информации по каналам связи, как в плане формирования оптимальных сигналов на передающей, так и создании эффективных методов их обработки на приемной стороне. Рассмотрены и проанализированы критерии оценки оптимальности сигналов, используемых для передачи информации методами импульсной и цифровой модуляции и эффективности методов обработки. Обоснована постановка задач диссертационной работы.

Во второй главе изучаются ошибки восстановления амплитуды текущего информационного импульса xk, обусловленные методом обработки и

шумом канала. В данной главе проведен анализ факторов влияющих на скорость передачи информации по каналам связи. Дано описание математиче-

14 ских моделей сигналов используемых в данной работе и каналов связи. Исследовано совокупное влияние параметров сигнала и канала связи на скорость передачи информации. Произведены оценки уровня МСИ для различных методов модуляции сигналов. Определена максимальная скорость передачи информации по каналам связи при заданном уровне межсимвольных искажений.

В третьей главе рассматривается метод повышения скорости передачи информации по каналу связи связанный с формированием оптимальных сигналов. Повышение скорости передачи информации достигается за счет использования сигналов согласованных с параметрами канала связи с МСИ. Критерием эффективности сигналов служит обобщенное соотношение неопределенностей. Доказан ряд теорем, характеризующих его свойства. Сформулирована задача построения дискретных сигналов на основе конечной последовательности импульсов и дано описание метода их построения. Приведено описание математических моделей дискретных сигналов на основе конечных последовательностей для различных типов импульсной и цифровой модуляции. Сформулирована и решена задача построения оптимального сигнала. Дано описание алгоритма формирования сигнала.

В четвертой главе приведено описание и исследование метода концентрирующих интегральных преобразований. Проводится его исследование для модели канала связи с учетом конечности окна данных и циклическом опросе. Изучен вопрос влияния оконных функций на эффективность метода. Введены дискретные оптимальные окна данных на основе метода формирования импульсных и цифровых сигналов в виде конечных последовательностей. Сформированная последовательность названа дискретно-решетчатым окном. Приведены их характеристики,

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований разработанного метода формирования дискретных оптимальных сигналов на основе конечных импульсных последовательностей и метода обработки сигналов. Дан сравнительный анализ введенного класса окон данных на основе

15 взвешенной последовательности операторов усечения с известными типами окон данных. Показано, что дискретно-решетчатые окна данных могут быть использованы как множители, улучшающий сходимость рядов Фурье. Описан метод формирования ядра сходимости ряда Фурье на основе его представления в виде последовательности взвешенных ядер Дирихле и доказывается его эффективность

В Заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы.

В приложении приведены основные понятия и определения.

Подобные работы
Поленова Юлия Евгеньевна
Разработка методов и алгоритмов обработки информации на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов
Гайнуллин Марат Фаритович
Алгоритмы и методы обработки информации в системах контроля качества процессов крашения
Малевинский Михаил Федорович
Математические методы и алгоритмы обработки информации при идентификации динамических систем
Авшалумов Александр Шамаилович
Методы и алгоритмы обработки информации в условиях неоднородности данных
Котельников Борис Викторович
Методы и алгоритмы обработки информации для автоматизированных систем диагностики электрооборудования электрических станций
Штыков Роман Александрович
Методы и алгоритмы обработки информации для оперативного управления тепловыми сетями промышленных предприятий
Кудряшов Максим Юрьевич
Спектрально-временные методы и алгоритмы обработки звуковой информации
Хураськин Игорь Анатольевич
Методы и алгоритмы обработки визуальной информации для создания виртуального окружения тренажерных комплексов
Кривоногов Леонид Юрьевич
Методы и алгоритмы помехоустойчивой обработки электрокардиографической информации
Веселов Николай Витальевич
Разработка методов и алгоритмов оценки качества, экономического анализа и обработки экспертной информации для больших систем в условиях неопределенности (На примере построения рейтинга инновационно-ориентированных регионов РФ)

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