Теорія сигналів із компактним спектром та її застосування в системах передачі інформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська державна академія зв'язку ім. О.С. Попова

УДК 621.391.24 : 396.43.037.372

ТЕОРІЯ СИГНАЛІВ ІЗ КОМПАКТНИМ СПЕКТРОМ ТА ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ

Спеціальність 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня доктора технічних наук

СУКАЧОВ ЕДУАРД ОЛЕКСІЙОВИЧ

Одеса 2001

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано в Українській державній академії зв'язку ім О.С. Попова, Державний комітет зв'язку та інформатизації України

Науковий консультант - заслужений працівник народної освіти України, академік міжнародної академії інформатизації й академії зв'язку, доктор технічних наук, професор Захарченко Микола Васильович, Українська державна академія зв'язку ім. О.С. Попова, проректор з навчальної роботи

Офіційні опоненти:

докт. техн. наук, професор Банкет Віктор Леонідович, Українська державна академія зв'язку ім. О.С. Попова, завідувач кафедри;

докт. техн. наук, професор Поляков Петро Федорович, Харківська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри;

докт. техн. наук, професор Ніколаєнко Василь Максимович, Одеський державний політехнічний університет, професор кафедри.

Провідна установа - Харківський державний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться " 4 " жовтня 2001 р. о 10 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д41.816.02 в Українській державній академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Української державної академії зв'язку ім. О.С. Попова.

Автореферат розіслано " 30 " серпня 2001 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради

Д 41.816.02, д.т.н., професор Н.О. Князєва

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зростання потреб у послугах зв'язку за останнє десятиріччя викликало появу на світовому телекомунікаційному ринку нових і більш досконалих засобів передачі інформації, до числа яких варто віднести цифрові системи стільникового рухомого зв'язку, глобальні супутникові мережі персонального зв'язку, технології ATM і Frame Relay, IP-телефонію тощо.

Найбільш повно ідею створення глобального зв'язку відбито у проектах IMT-2000 і UMTS, ядром яких є узагальнена мережа радіодоступу, котра взаємодіє з різними системами, як діючими, так і тими, що виникають у процесі переходу до мобільних систем 3-го покоління (3G). Під час розроблення цих проектів стало очевидним, що сьогодні виділених частотних ресурсів недостатньо для задоволення постійно зростаючих потреб користувачів у високошвидкісному доступі.

Проблему надання широкого набору інформаційних послуг за одночасного збільшення швидкостей передачі повідомлень і кількості користувачів може бути частково розв'язана за рахунок застосування накладених мереж, котрі базуються на багатостанційному доступі з кодовим і часовим розділенням каналів, тобто на технології, котра використовує W-CDMA і TDMA, що теоретично надає можливість двічі використовувати виділену смугу частот. Взаємні завади будуть тим менше, чим ширше буде спектр для перших технологій і вужче для других.

Однак дотепер у МСЕ не вироблено єдиних стандартів для мереж 3G з урахуванням еволюційного розвитку існуючих мереж і необхідності створення умов для взаємодії між системами другого і третього поколінь. Розроблено п'ять специфікацій стандартів (радіоінтерфейсів) наземного радіозв'язку, де розпочато спроби знайти місце різним способам передачі на базі як широкосмугових (W-CDMA), так і вузькосмугових (TDMA) системам у майбутньому єдиному стандарті всесвітньої глобальної мережі. Як для широкосмугових, так і для вузькосмугових систем дуже актуальною є проблема спектральної ефективності.

Основою для успішного розв'язання даного комплексу проблем є серйозні досягнення в розробленні науково-технічних аспектів, пов'язаних із зазначеними методами передачі.

Основні ідеї синтезу складних широкосмугових сигналів було сформульовано в роботах Д.Ю. Вакмана, Л.Є. Варакіна, А.Д. Вітербі та інших вчених. Значний внесок у розвиток цього напряму зробила школа М.Б. Свердлика і В.М. Кошового.

Початок вивчення систем передачі з вузькосмуговими сигналами було покладено Х. Найквістом. Подальшого розвитоку цей напрям набув у роботах Д. Міддлтона, О.О. Харкевича, Л.М. Фінка та інших. Значний внесок у розв'язання задач підвищення ефективності методів передачі й опрацювання сигналів внесли вчені Української державної академії зв'язку ім. О.С. Попова: А.Г. Зюко, І.П. Панфілов, М.В. Захарченко, В.Л. Банкет, В.А. Кисіль та інші вчені.

У численних публікаціях з проблеми підвищення спектральної ефективності особливе місце посідають дослідження систем з сигналами, які не мають міжсимвольної інтерференції (МСІ), тобто вони задовольняють критеріям Найквіста, і сигналами з керованою МСІ, що становлять основу методу корелятивного кодування. У них розроблено окремі теоретичні аспекти й розв'язано окремі задачі синтезу оптимальних і субоптимальных сигналів.

Разом з тим, поєднання теорії сигналів Найквіста, принципів корелятивного кодування і методів частотної модуляції з неперервною фазою (ЧМ-НФ) відкриває можливості для створення засобів телекомунікацій з поліпшеними технічними характеристиками, що може привести до підвищення ролі вузькосмугових систем у радіотехнологіях майбутнього.

Для цих задач, що не мають розв'язків у рамках існуючих методів теорії передачі цифрової інформації, потрібне було розроблення нових підходів і методів, котрі представлено в даній дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації пов'язані з темами науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, проведених в Українській державній академії зв'язку ім. О.С. Попова (раніше ОЕІЗ ім. О.С. Попова) на замовлення і з планами Міністерства зв'язку СРСР і Державного комітету зв'язку й інформатизації України. Розробки систем спряження для передачі цифрових потоків аналоговими стволами діючих РРЛ провадилися НДЛ академії в період 1985-1990 рр. разом із Науково-дослідним інститутом радіо (НДІР, м. Москва, № ДР 0184000644 і № ДР 01860081399). Відповідно до концепції побудови сучасної цифрової мережі зв'язку України і створення ефективних систем передачі інформації, передбачених Комплексною програмою Єдиної національної мережі зв'язку України, Українським науково-дослідним інститутом радіо і телебачення (УНДІРТ, м. Одеса, № ДР 0195000U000939) було розроблено апаратуру для передавання цифрових потоків третинного рівня. Дослідну партію пристроїв спряження (РЦ-34) виготовлено на ПО "Комунар" (м. Харків). Розробку цифрової системи радіодоступу для сільської місцевості (ЦИТРУС) виконано Одеським науково-дослідним інститутом (ОНДІЗ, м. Одеса, № ДР УА01003709P). Усі розробки базувалися на розвинутих здобувачем теоретичних основах побудови сигналів з компактним спектром, що дозволило реалізувати передавання цифрових потоків з високою спектральною ефективністю.

Мета і задачі дослідження. Метою цієї дисертаційної роботи є розроблення теоретичних основ створення високоефективних цифрових засобів телекомунікацій на базі нових класів багатопараметричних селективних сигналів із компактним спектром і побудова адекватного математичного апарату для синтезу і формування сигналів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:

розробити нові форми подання першого критерію Найквіста, що містять мультиплікативну й адитивну функції;

дослідити основні властивості цих функцій та їхніх спектральних характеристик;

розробити методи одержання селективних сигналів із фінітним спектром, котрі містять задане число параметрів;

розробити методики розрахунку селективних сигналів із нелінійними фазочастотними характеристиками;

установити функціональні співвідношення для парціальних сигналів різних класів;

визначити критерії фінітности спектра для селективних сигналів;

розробити опис селективних сигналів на базі теорії цілих функцій кінцевого ступеня;

розробити методику параметричної оптимізації селективних сигналів з фінітним спектром;

розробити методику синтезу сигналів для систем з корелятивним кодуванням, котрі мають задані спектральні властивості;

розробити концепцію параметричної оптимізації за наявності обмежень у системах із частковим відгуком;

розвинути методи аналізу спектра ЧМ-НФ сигналів;

визначити критерій для об'єктивного оцінювання ступеня впливу лінійних спотворень радіотракту на зниження завадостійкості у вузько смугових ЧМ-НФ системах з корелятивним кодуванням;

розв'язати проблему інтерполяції селективних сигналів із фінітним спектром;

розробити рекомендації щодо застосування здобутих результатів у цифрових системах передачі і, зокрема, на магістральних і зонових радіорелейних лініях. сигнал спектр фінітність фазочастотний

Наукова новизна здобутих результатів.

1. Доведено, що будь-який селективний сигнал із фінітним спектром можна подати у вигляді добутку чи суми двох функцій, котрі належать до класу цілих функцій кінцевого ступеня.

2. Обґрунтовано можливість уведення довільного числа параметрів в аналітичний запис селективного сигналу з фінітним спектром.

3. Запропоновано спосіб одержання селективних сигналів із фазочастотним спектром у вигляді кусково-лінійної функції.

4. Узагальнено основні класи парціальних сигналів, що дозволило значно розширити множину сигналів з керованою міжсимвольною інтерференцією і, зокрема, надало можливість для формування спектрів сигналів у системах із корелятивним кодуванням за допомогою синтезу характеристик ФНЧ, що входить до складу кодера.

5. Запропоновано спосіб траєкторної параметричної оптимізації для синтезу субоптимальних селективних сигналів із наперед заданими властивостями.

6. Доведено теорему відліків для селективних сигналів з фінітним спектром, на підставі якої з'являється можливість їхньої інтерполяції з довільним ступенем точності.

7. Доведено можливість синтезу селективних сигналів з фінітним спектром на основі сплайн-функцій.

8. Запропоновано спосіб формування модулюючих сигналів у системах з корелятивним кодуванням і ЧМ-НФ із використанням базису rect-функцій.

9. Розроблено методику розрахунку спектральної густини сигналів із ЧМ-НФ, що дозволяє підбором форми модулюючого сигналу мінімізувати ширину основної пелюстки спектра або рівень позасмугових випромінювань.

10. Запропоновано новий підхід до аналізу впливу нелінійності ФЧХ і нерівномірності АЧХ радіотракту на величину МСІ в переданій цифровій послідовності.

11. Запропоновано спосіб мінімізації часу передачі повідомлення ненадійним каналом з урахуванням завад і лінійних спотворень у мережах пакетного радіозв'язку за допомогою оптимізації розмірів пакета.

Практичне значення здобутих результатів.

1. Запропоновані методи синтезу сигналів з керованою МСІ можуть бути використані під час проектування систем передачі цифрових потоків як в основній смузі, так і у виділених ділянках діапазонів фіксованих і рухомих служб радіозв'язку, і забезпечують істотне зниження рівня позасмугових випромінювань, що дозволяє більш ощадливо використовувати виділений діапазон частот.

2. Розроблена математична модель радіотракту для дослідження і порівняльного аналізу цифрових систем передачі дозволяє оптимізовувати основні характеристики окремих вузлів і комплексів засобів радіозв'язку.

3. Результати досліджень передавання цифрових потоків із застосуванням методів корелятивного кодування використовувалися в наукових розробках комплексу ЦИТРУС і впроваджені в дослідній партії пристроїв спряження цифрових систем передачі типу РЦ-34.

4. Метод розрахунку величини міжсимвольних спотворень, що виникають внаслідок обмеження смуги і лінійних спотворень у радіотракті, дозволяє розробити обґрунтовані вимоги щодо точності роботи адаптивного еквалайзера в приймачі системи радіозв'язку.

Особистий внесок здобувача. У спільних публікаціях авторові дисертації належать постановка задач, розроблення методів дослідження і трактування здобутих результатів. У складанні програм для ПЕОМ і виконанні розрахунків брали участь к.т.н. О.О. Скопа й аспіранти Ж.А. Гардиман і Д.Ю. Ільїн.

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

Міжнародний симпозіум "Спутниковая связь: реальность и перспективы", Одеса, 1990;

I Міжнародна науково-технічна конференція "Перспективи розвитку систем радіозв'язку і телевізійного мовлення", Одеса, 1993;

Міжнародна науково-технічна конференція "Супутникові системи зв'язку і мовлення: перспективи розвитку в Україні", Одеса, 1993;

II Міжнародна науково-технічна конференція з радіозв'язку, звукового і телевізійного мовлення, Одеса, 1995;

ІІІ Міжнародна конференція з електрозв'язку, телевізійного і звукового мовлення, Одеса, 1997;

II Міжнародна науково-практична конференція "Системи і засоби передачі й обробки інформації" (СЗПОІ-98), Одеса, 1998;

IV Міжнародна конференція "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації", Харків, 1998;

IV Міжнародна конференція з телекомунікацій, Одеса, 1999;

IV Міжнародна науково-практична конференція "Системи і засоби передачі й обробки інформації" (СЗПОІ-2000), Одеса, 2000.

З тематики роботи за науковим консультуванням автора дисертації захищено дві кандидатські дисертації (Абдуллах Абдель Монем (Сирія) і О.О. Скопа).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 44 наукові праці, у тому числі: 28 статей у журналах і науково-технічних збірниках

(13 у співавторстві), 4 навчальні посібники (один у співавторстві), 11 повідомлень у працях міжнародних конференцій і симпозіумів (9 у співавторстві) і здобуто одне авторське посвідчення про винахід.

Практичні результати роботи знайшли відбиття в шести науково-технічних звітах про науково-дослідні роботи.

Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків і двох додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 323 сторінки, в тому числі 28 сторінок рисунків, 8 сторінок таблиць, 11 сторінок додатків. Список використаних джерел на 26 сторінках нараховує 241 найменування.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми дослідження, наукову і практичну цінність, подано загальну характеристику роботи.

У першому розділі введено поняття багатопараметричного селективного сигналу з фінітним спектром і доведено низку теорем, котрі становлять теоретичну основу дисертації.

Показано роль, яку відіграють у теорії зв'язку сигнальні функції, котрі задовольняють першому критерію Найквіста, тобто мають властивості селективности (відлічувальності). Відзначено, що в теорії й практиці телекомунікаційних систем набули застосування лише такі селективні сигнали, у математичному описі яких використовується один параметр, котрий дістав у літературі назву коефіцієнта "округлення" (roll-off) функції спектральної густини, що не дає можливості розкриття багатьох властивостей цих сигналів.

З метою введення додаткових параметрів, котрі збільшують число ступенів свободи селективного сигналу g(t), модуль його спектральної густини подано у вигляді

(1)

де - граничні частоти перехідної області спектра; - спектральна густина у перехідній області ; T - тривалість тактового інтервалу і g(t) = U при t = 0; і ; wC - центральна частота перехідної області і - коефіцієнт "округлення" . З огляду на симетрію спектра в перехідній області, спектральну густину доцільно розділити на дві частини: і Тоді функцію можна подати у вигляді ряду

де і

Це дозволяє здобути загальний вираз для багатопараметричних селективних сигналів із фінітним спектром

де і; - додаткові параметри.

Запропоновано низку методів апроксимації функції , які дозволяють одержувати багатопараметричні селективні сигнали з різним числом параметрів, а саме:

- лінійна двопараметрична апроксимація;

- кусково-лінійна трипараметрична апроксимація;

- чотирипараметрична апроксимація з використанням лінійної й синусної складових.

На рис. 1 подано сімейство чотирипараметричних селективних сигналів з фінітним спектром, аналітичне представлення яких записується у вигляді

Уперше доведено, що, якщо сигнал з обмеженим спектром g(t) задовольняє першому критерію Найквіста, його можна подати у вигляді добутку двох функцій

(2)

де перша функція має вигляд

(3)

а друга визначається інтегральним співвідношенням

(4)

де - центральна частота перехідної області ; , , .

Вираз (4) можна розглядати як нову (інтегральну) форму подання першого критерію Найквіста.

Досліджено основні властивості функції M(t), названої мультиплікативною, і показано, що використання виразу (2) дозволяє спростити обчислення сигнальної функції заданої спектральної густини.

Установлено зв'язок функцій і M(t) з цілими функціями кінцевого ступеня. Доведено, що необхідною і достатньою умовою фінітності спектра сигналу (2) є приналежність функції M(t) до класу цілих функцій кінцевого ступеня , де - коефіцієнт "округлення".

Доведено, що селективний сигнал з обмеженим спектром можна подати у вигляді суми двох функцій

(5)

де відповідає виразу (3), а адитивна функція D(t) визначається інтегральним співвідношенням

(6)

Вирази (5) і (6) можна розглядати як ще одну інтегральну форму подання першого критерію Найквіста. Досліджено основні властивості адитивної функції D(t) й установлено взаємозв'язок між функціями M(t) і D(t).

Запропоновано апроксимацію спектральної характеристики селективного сигналу g(t) у перехідній області частот тригонометричним поліномом вигляду

(7)

за умови, що

і (8)

Доведено, що при апроксимації (7) сигнальна функція з фінітним спектром може бути записана в такий спосіб:

(9)

де .

Сигнальна функція (9) містить N параметрів, пов'язаних між собою умовами (8). Досліджено властивості функцій і розглянуто приклад селективного сигналу для N = 2. Запропоновано новий клас селективних сигналів з кусково-лінійним фазовим спектром і описано його властивості.

Показано, що, якщо у виразі (2) замість мультиплікативної функції M(t) за формулою (4) використовувати досить гладку функцію, котра не інтегрується в квадраті на всій осі, але належить до класу цілих функцій, то дістаний у такий спосіб селективний сигнал має нескінченний спектр, який можна назвати компактним у тому розумінні, що в заданій смузі частот може бути сконцентровано яку завгодно велику частку його повної енергії.

У другому розділі розвинуто методи корелятивного кодування для розв'язання задач аналізу і синтезу сигналів з керованою міжсимвольною інтерференцією, називаних парціальними сигналами.

Корелятивне кодування виконує пристрій, котрий складається з каскадного з'єднання трансверсального фільтра (ТФ) і ФНЧ, характеристики якого задовольняють першому критерію Найквіста (рис. 2).

Результатом корелятивного кодування є лінійна комбінація сигналів

(10)

де L - кількість ненульових відліків у тактових точках; f(t) - імпульсна реакція фільтра Найквіста, що входить до складу кодера; ci - коефіцієнти у відводах лінії затримки ТФ.

Коефіцієнт передачі ТФ записується як

(11)

чи у вигляді полінома

де (12)

Доведена в розд. 1 теорема дозволяє записати вираз (10) як

(13)

де мультиплікативна функція M(t) визначається інтегральним співвідношенням (4).

Вираз (13) дозволяє узагальнити всі наявні класи парціальних сигналів. Перші чотири узагальнених класи наведено в табл. 1.

Доведено, що сигнал з керованою МСІ у вигляді (10) може бути поданий у формі добутку двох функцій:

де

Досліджено властивості функції MК(t), названої мультиплікативною функцією в системі з корелятивним кодуванням, та її спектра. Уперше запропоновано формувати сигнал з керованою МСІ не вибором полінома корелятивного кодера (12), а вибором АЧХ частотнообмежувального ФНЧ, багатопараметрична імпульсна реакція якого задовольняє першому критерію Найквіста.

На рис. 3 наведено процес формування спектра сигналу в корелятивному кодері з поліномом ТФ вигляду 1 + D, коли як ФНЧ застосовується двопараметричний фільтр Найквіста з імпульсною характеристикою

(14)

Здобуто аналітичний вираз для сигналу з керованою МСІ класу 1, коли імпульсна реакція формуючого ФНЧ у корелятивному кодері відповідає виразу (14):

(15)

Оцінено роль кожної з трьох спектральних зон у формуванні сигналу (15).

Розроблено методику оцінювання впливу одно- і двобічного обмеження спектра парціального сигналу на величину некерованої МСІ. Для сигналу класу 4 здобуто розрахункові формули й досліджено зміну його форми залежно від виду і ступеня обмеження.

Оцінювання ступеня спотворення парціального сигналу виконано на підставі D-критерію і ступеня розкриття око-діаграми.

У третьому розділі розв'язано проблему синтезу сигналів, вільних від МСІ, і сигналів з керованою МСІ на підставі методів сплайн-функцій, методів траєкторної параметричної оптимізації й методів наближення функцій.

Наведено аналіз існуючих критеріїв оцінювання величини МСІ при передачі сигналів, що задовольняють першому критерію Найквіста. Запропоновано нові критерії оцінювання форми селективних сигналів у проміжках між тактовими точками, що дозволяє визначити ступінь концентрації енергії сигналу у певній області, площу розкриття око-діаграми, поводження кривої та її похідних на заданих відрізках осі часу тощо. З метою ілюстрації ефективності запропонованих критеріїв оцінювання наведено їхні числові значення для серії селективних сигналів і відповідні цим сигналам око-діаграми.

Розроблено метод синтезу селективних сигналів з фінітним спектром за допомогою апроксимації спектральної густини в перехідній області сплайн-функціями. При використанні одного кубічного сплайна з дорівнюваними нулю похідними на кінцях інтервалу спектральна густина імпульсу має вигляд

а сам сигнал визначається виразом

.

Запропоновано метод синтезу оптимальних сигнальних функцій, що задовольняють першому критерію Найквіста, на підставі траєкторної параметричної оптимізації цільової функції.

Для ілюстрації можливостей методу було обрано трипараметричну селективну функцію

(16)

спектр якої наведено на рис. 4, де траєкторією переміщення точки A1 є лінія MN.

Показано, що для мінімізації бічних пелюсток сигналу (16) необхідно мінімізувати цільову функцію

(17)

тобто знайти такі b* і g*, що доставляють мінімум (17):

Око-діаграми для звичайного й оптимального (b* = 0,255, g* = 0,45) сигналів подано відповідно на рис. 5, а і б.

Доведено теорему відліків для сигналів (2) і здійснено оцінювання точності здобутої інтерполяційної формули.

Запропоновано метод синтезу сигнальних функцій, котрі задовольняють першим двом критеріям Найквіста. Докладно досліджено один клас таких функцій і описано його властивості.

Розроблено метод синтезу і відтворення сигналів у системах з повним і частковим відгуком на підставі rect-функцій для різних критеріїв наближення (рис. 6).

Для спектральної густини східчастої функції , котра відповідає парціальному сигналу класу 4, було здобуто вираз

,

що дозволило подати згладжену функцію на виході ФНЧ з прямокутною АЧХ і частотою зрізу у вигляді

де - інтегральний синус.

Здійснено порівняльний аналіз точності відтворення функції за D-критерієм при різних методах апроксимації.

У четвертому розділі розглянуто питання, пов'язані з удосконаленням методів розрахунку спектральних характеристик ЧМ-НФ сигналів у системах з повним і частковим відгуком.

Для з'ясування можливості використання методу стаціонарної фази для розрахунку спектральних характеристик ЧМ-НФ сигналів, коли модулюючі імпульси припускають апроксимацію відрізками косинусоїди, здобуто розрахункові формули і досліджено залежність їхньої точності від індексу модуляції.

Здобуто точні розрахункові формули для визначення спектральної густини ЧМ-НФ сигналів при модуляції реалізаціями випадкової імпульсної послідовності кінцевої тривалості за будь-якого індексу модуляції:

де

A0, w0 - амплітуда і частота несучої; - індекс модуляції; - девіація частоти; M - обсяг абетки; - функція Бесселя першого роду n-го порядку.

На рис. 7, а подано графіки спектральної густини ЧМ-НФ сигналів для різних значень h при кінцевій (n = 5) симетричній двійковій послідовності знакозмінних імпульсів , коли границі інтервалу дорівнюють чи , тому що . Рис 7, б ілюструє форму спектральної густини ЧМ-НФ сигналів для h = 0,75 і симетричних детермінованих модулюючих послідовностей довжиною n, що вимірюється в тактових інтервалах.

Запропоновано нові наближені формули для розрахунку спектрів ЧМ-НФ сигналів при малих індексах модуляції і здійснено оцінювання їхньої точності.

Розроблено чисельний метод розрахунку спектральної густини ЧМ-НФ сигналів при модуляції випадковою послідовністю , елементами якої є багатопараметричні селективні сигнали, тривалість яких перевищує величину тактового інтервалу, тобто

Розроблено метод чисельного розрахунку спектральної густини ЧМ-НФ сигналу для систем з корелятивним кодуванням, коли між імпульсами в послідовності виникає міжсимвольний зв'язок. Типову реалізацію модулюючої послідовності для цього випадку наведено на рис. 8.

Методика розрахунку включає багаторазове використання ШПФ. Воно застосовується для визначення інформаційної складової повної фази , котра залежить від вектора , де - елемент модулюючої послідовності, і для знаходження квадратурних складових ЧМ-НФ сигналу і .

У п'ятому розділі досліджено вплив характеристик радіотракту і методів організації пакетного радіозв'язку на вірогідність передачі цифрової інформації в системах і мережах радіозв'язку з ЧМ-НФ.

Розроблено математичну модель цифрової системи радіозв'язку для кількісного порівняння засобів телекомунікацій з різними поліномами корелятивного кодера, індексами модуляції, характеристиками обмежуючого спектр фільтра нижніх частот, методами відтворення сигнальних функцій тощо. Під час розроблення моделі прийнято, що схема частотного демодулятора побудована за принципом ідеального обчислювача миттєвої частоти, а в приймачі реалізовано посимвольне приймання з одноразовим відліком. Для визначення амплітудних і фазових спектрів ЧМ-НФ сигналів використовуються розрахункові формули, здобуті в розд. 4, а для опису АЧХ і ФЧХ реальних радіотрактів застосовуються параболічні й тригонометричні наближення. Модель дозволяє також визначити вплив обмеження спектра, лінійних спотворень, селективних завмирань тощо. на величину МСІ.

Здобуто розрахункові формули для визначення впливу МСІ, зсуву порогів реєстрації і моментів стробування на ймовірність помилки в системах радіозв'язку.

Поставлено й розв'язано задачу оптимізації числа пакетів при організації радіозв'язку між двома пунктами комутації в пакетних мережах радіозв'язку. Досліджено залежність часу передачі від імовірності помилкової реєстрації при оптимальній декомпозиції переданого повідомлення.

У шостому розділі вирішуються проблеми реалізації методів корелятивного кодування в цифрових системах радіозв'язку. Описано пристрої і засоби радіозв'язку, у розробленні яких брав участь здобувач, представлено їхні технічні характеристики й наведено результати випробувань. Подано розробку цифрового радіоподовжувача комплексу апаратури ЦИТРУС для сільських мереж радіозв'язку. Проведені натурні випробування комплексу в сільській місцевості з підімкненням до реальних ліній зв'язку довели доцільність організації цього виду радіодоступу на території з малою щільністю населення.

Досліджено ефективність різних класів корелятивного кодування на діючих радіорелейних магістралях, укомплектованих апаратурою КУРС-8, РАДУГА тощо. Подано послідовну низку розробок пристроїв спряження ЦСП зі стволами РРСП ОЦФ-17, ОЦФ-20, ОЦФ-34 і РЦ-34. Відзначено роль цих систем у модернізації радіорелейної мережі України.

Висновки

У дисертаційній роботі розроблено теорію багатопараметричних селективних сигналів з компактним спектром та її застосування для розв'язання прикладних задач в області теорії та практики радіотехнічних пристроїв і засобів телекомунікацій. Уведений клас багатопараметричних селективних сигналів і запропоновані методи аналізу й синтезу дозволили глибше розвинути теорію корелятивного кодування, що в поєднанні з методами частотної модуляції з неперервною фазою надало можливість створити пристрої радіозв'язку з високими якісними показниками.

У дисертаційній роботі здобуто такі основні наукові й практичні результати.

1. Розроблено методи синтезу селективних сигналів із фінітним спектром, котрі містять задану кількість незалежних параметрів, пов'язаних із законом зміни спектральної характеристики в перехідній області і впливають на форму сигналу на ділянках, розташованих між ізольованими тактовими точками.

Уведення додаткових параметрів збільшило число ступенів свободи селективних сигналів, що було використано для синтезу оптимальних за різними критеріями сигналів. Логічним завершенням використання цієї можливості став розроблений уперше метод траєкторної параметричної оптимізації селективних сигналів за наявності обмежень.

2. Доведено низку теорем, що вказують на можливість подання будь-якого селективного сигналу у вигляді добутку чи суми двох функцій, коли однією з функцій є власна функція ФНЧ з ідеалізованою АЧХ прямокутної форми, а другою функцією, названою відповідно мультиплікативною чи адитивною, є ціла функція кінцевого ступеня, що залежить від форми спектральної характеристики в перехідній області. Показано одиничність такого представлення, що є новою (інтегральною) формою подання першого критерію Найквіста.

3. Досліджено властивості мультиплікативних і адитивних функцій та їхніх спектральних характеристик. Встановлено аналітичний зв'язок між цими функціями. На прикладі відомого сигналу зі спектром у вигляді "піднятого" косинуса проілюстровано властивості мультиплікативної функції та її спектра.

4. Доведено, що будь-який сигнал з керованою міжсимвольною інтерференцією також можна подати у вигляді добутку двох функцій, одна з яких являє собою власну функцію ФНЧ з ідеалізованою АЧХ прямокутної форми, а друга, мультиплікативна функція, містить як параметри коефіцієнти у відводах трансверсального фільтра корелятивного кодера.

На підставі введеного поняття мультиплікативної функції здобуто узагальнення відомих класів парціальних сигналів, що розширює множину сигналів з керованою міжсимвольною інтерференцією.

5. Уперше показано можливість синтезу селективних сигналів з фінітним спектром із застосуванням методів сплайн-функцій і як приклад здобуто аналітичний вираз сигналу, котрий задовольняє першому критерію Найквіста.

6. Для ілюстрації можливостей багатопараметричної оптимізації розроблено метод одержання сигналів з фінітним спектром, котрі задовольняють першому і другому критеріям Найквіста водночас.

7. Розроблено метод синтезу сигналів у системах з корелятивним кодуванням, котрі належать до одного з класів узагальнених парціальних сигналів і мають задані спектральні властивості.

8. Розвинено числовий метод розрахунку спектральних функцій ЧМ-НФ сигналів для систем із повним і частковим відгуками. Це дозволило визначати спектральну густину ЧМ-НФ сигналів в системах з корелятивним кодуванням при модуляції кінцевою реалізацією випадкової послідовності, сформованої з імпульсів одного з класів узагальнених парціальних сигналів, що взаємно перекриваються на всьому інтервалі спостереження.

9. Розроблено математичну модель цифрової системи передачі, котра дозволяє досліджувати вплив спотворень характеристик радіотракту, селективних завмирань тощо на форму переданих сигналів. За її допомогою можна порівнювати технічні характеристики систем передачі, в яких застосовуються різні поліноми кодування, АЧХ і ФЧХ обмежуючих спектр ФНЧ у кодерах, а також індекси модуляції.

10. Представлено результати розробок пристроїв радіозв'язку з високою спектральною ефективністю. Наведено особливості схемних рішень і технічні характеристики дослідних і серійних зразків систем радіозв'язку, що використовують для одержання компактного спектра методи корелятивного кодування.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в наступних роботах

1. Одинцов Б.В., Гуцалюк А.К., Сукачёв Э.А. TDMA или CDMA? // Труды УНИИРТ. 1995. № 3. С. 3-10.

2. Одинцов Б.В., Гуцалюк А.К., Сукачёв Э.А. Концептуальный анализ проблемы выбора стандарта для цифровой сети радиотелефонной связи в Украине // Труды II Междунар. научно-техн. конф. по радиосвязи, звуковому и телевизионному вещанию: Тезисы докладов. Одесса, 1995. С. 289-295.

3. Сукачёв Э.А. Сотовые сети радиосвязи с подвижными объектами: Учеб. пособие. Одесса: УГАС им. А.С. Попова, 1996. 82 с.

4. Михайлов Н.К., Гуцалюк А.К., Кисель А.В., Сукачёв Э.А. Тенденция развития сетей подвижной радиосвязи (аналитическое исследование) // Труды III Межд. научно-техн. конф. по электросвязи, телевидению и звуковому вещанию. Одесса, 1997. С. 193-196.

5. Сукачов Е.О., Іванов В.А. Нові радіотехнології на шляху до інформаційного суспільства // Праці УНДІРТ. 2000. № 2(22). С. 37-40.

6. Сукачёв Э.А. Класс функций, удовлетворяющих первому критерию Найквиста // Труды УНИИРТ. 1995. № 1. С. 30-31.

7. Сукачёв Э.А. Обобщенная сигнальная функция для цифровых систем передачи // Информатика и связь: Сб. науч. тр. Укр. гос. акад. связи им. А.С. Попова. К: Техніка, 1995. С. 63-65.

8. Сукачёв Э.А. Метод расчета формы сигнала цифровых систем передачи // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 1997. № 163. С. 51-55.

9. Сукачёв Э.А., Скопа А.А., Гардыман Ж.А. Новый класс сигнальных функций для цифровой радиосвязи // Информатика и связь: Сб. науч. тр. Укр. гос. акад. связи им. А.С. Попова. К: Техніка, 1997. С. 81-83.

10. Сукачёв Э.А. Фильтр Найквиста с кусочно-линейной фазочастотной характеристикой // Зв'язок. 2000. № 6. С. 49-50.

11. Сукачёв Э.А. Особенности тригонометрической аппроксимации спектральных функций селективных сигналов // Праці УНДІРТ. 1998. № 2 (14). С. 103-105.

12. Сукачёв Э.А. Сотовые сети радиосвязи с подвижными объектами: Учеб. пособие. Изд. 2-е, испр. и доп. Одесса: УГАС, 2000. 119 с.

13. Сукачёв Э.А. К вопросу о компактности спектра селективных сигналов // Праці УНДІРТ. 2001. № 1(25). С. 31-33.

14. Сукачёв Э.А. Новая форма представления селективных сигнальных функций для цифровых систем передачи // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2001. Вып. 120. С. 182-184.

15. Сукачёв Э.А. Новая форма представления селективных сигналов для телекоммуникационных систем // Праці УНДІРТ. 1998. № 2 (14). С. 98-102.

16. Сукачёв Э.А. Кодирование и модуляция в цифровых системах радиосвязи: Учеб. пособие // Одесск. электротехн. ин-т связи им. А.С. Попова. Одесса, 1986. 54 с.

17. Одинцов Б.В., Сукачёв Э.А., Гуцалюк А.К. Цифровые системы радиосвязи: Учеб. пособие // Одесск. электротехн. ин-т связи им. А.С. Попова. Одесса, 1988. 56 с.

18. Сукачёв Э.А., Скопа А.А. Использование многоуровневого кодирования для передачи цифровой информации по аналоговым радиорелейным стволам // Эффективные системы связи: Сб. науч. тр. Одесск. электротехн. ин-та связи им. А.С. Попова. Одесса, 1988. С. 37-39.

19. Одинцов Б.В., Сукачёв Э.А., Скопа А.А. Исследование возможностей повышения удельной скорости передачи цифровой информации на линиях радиосвязи // IX Всесоюзн. конф. по теории кодирования и передачи информации: Тезисы докл. Ч. 3. Одесса, 1988. С. 262-264.

20. А.с. 510794 СССР, М. Кл.2 Н 04L 1/10. Устройство для передачи данных / Э.А. Сукачёв (СССР). № 1896772/26-9. Заявлено 23.03.73. Опубл. 15.04.76. Бюл. № 14.

21. Сукачёв Э.А. О представлении сигнальных функций в системах с коррелятивным кодированием // Информатика и связь: Сб. науч. тр. Укр. гос. академии связи им. А.С.Попова. Одесса, 1998. С. 55-60.

22. Сукачёв Э.А. Особенности сигнальных функций в телекоммуникационных системах с коррелятивным кодированием // Труды IV Междунар. научно-техн. конф. по телекоммуникациям (14-17 сентября 1999 г.). Одесса, 1999. С. 192-193.

23. Сукачёв Э.А. Формирование спектра сигнала в системах с коррелятивным кодированием посредством синтеза характеристики ФНЧ // Наукові праці УДАЗ ім. О.С. Попова. 1999. № 2. С. 70-75.

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

25. Сукачёв Э.А., Кожухарь И.Ф., Ланько А.А. Аппаратная реализация сигнальных функций в телекоммуникационных системах с коррелятивным кодированием класса 4 // Труды IV Междунар. научно-техн. конф. "Системы и средства передачи и обработки информации" (6-14 сентября 2000 г.). Одесса, 2000. С. 21-22.

26. Сукачёв Э.А., Ильин Д.Ю. Сравнительный анализ селективных сигналов для цифровых систем передачи информации // Наукові праці УДАЗ ім. О.С. Попова. 2000. № 3. С. 42-48.

27. Сукачёв Э.А., Вохансон Тириндрасетаниа. Оптимизация параметров луча спутникового ретранслятора // Спутниковая связь: реальность и перспективы. Тр. междунар. Симпозиума. Одесса, 1990. С.А. 39.1. А. 39.9.

28. Сукачёв Э.А. Класс функций, удовлетворяющих первому и второму критериям Найквиста // Наукові праці УДАЗ ім. О.С. Попова. 2001. № 1. С. 28-32.

29. Сукачёв Э.А. Синтез селективных сигналов на основе сплайн-функций // Зв'язок. 1999. № 2(16). С. 35 -38.

30. Сукачёв Э.А. Теорема отсчетов для сигналов, удовлетворяющих первому критерию Найквиста // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2000. Вып. 116. С. 173-175.

31. Сукачёв Э.А., Кожухарь И.Ф. Синтез и воспроизведение сигнальных функций в системах связи с коррелятивным кодированием // Праці УНДіРТ. 2000. № 4(24). С. 37-42.

32. Сукачёв Э.А., Скопа А.А. Моделирование условий прохождения ЧМ сигналов через линейный тракт ЦСП // Обработка сигналов в системах связи: Сб. науч. тр. учеб. завед. связи, СПбГУТ. СПб, 1996. № 162. С. 16-21.

33. Гуцалюк А.К., Михайлов Н.К., Сахнович Л.А., Сукачёв Э.А. Особенности использования метода стационарной фазы для расчета спектральных характеристик частотно-модулированных колебаний // Праці УНДіРТ. Математика і суміжні питання зв'язку. 1997. № 2(10). С. 22-29.

34. Сукачёв Э.А. Особенности расчета спектральной плотности ЧМ-НФ сигналов при малых индексах модуляции // Праці УНДіРТ. 2000. № 1(21). С. 11-16.

35. Сукачёв Э.А. Исследование искажений цифровых сигналов в тракте ПЧ аналоговых РРСП // Респ. науч.-техн. школа-семинар "Анализ и синтез систем массового обслуживания и сетей ЭВМ". Тез. докл. Ч. 2. Одесса, 1990. С. 243-248.

36. Сукачёв Э.А., Скопа А.А., Кожухарь И.Ф. Влияние фазочастотных искажений на передачу цифровых сигналов методом ЧМ с непрерывной фазой // Труды междунар. конф. "Спутниковые системы связи и вещания: Перспективы развития в Украине", Одесса, 1993. С. 1.15.1-2.15.4.

37. Сукачёв Э.А., Скопа А.А. Математическая модель для исследования прохождения ЧМ сигналов через линейный тракт приемопередающего оборудования // Материалы междунар. науч.-техн. конф. "Перспективы развития систем радиосвязи и телевизионного вещания", УНИИРТ. Одесса, 1993. С. 4-5.

38. Сукачёв Э.А., Кисель А.В. Моделирование шумов с заданным энергетическим спектром для исследования цифровых систем с ЧМ-НФ // Праці УНДІРТ. Передача даних. 1996/97. № 4(8), № 1(9). С. 95-96.

39. Сукачёв Э.А., Скопа А.А. Оценка искажений сигналов в системах с коррелятивным кодированием и угловой модуляцией. Часть 1 // Труды УНИИРТ. 1995. № 3. С. 22-27.

40. Сукачёв Э.А., Скопа А.А., Гардыман Ж.А. Оценка искажений сигналов в системах с коррелятивным кодированием и угловой модуляцией. Часть 2 // Праці УНДІРТ. 1996/97. № 4(8), № 1(9). С. 97-103.

41. Сукачёв Э.А. Оптимизация числа пакетов при передаче сообщения по ненадежному каналу связи // Электросвязь. 2000. № 5. С. 29-30.

42. Минкин В.М., Грозовский Л.М., Одинцов Б.В., Сукачёв Э.А., Михайлов Н.К. Пропускная способность в цифровых РРЛ увеличится // Вестник связи. 1991. № 2. С. 24-26.

43. Михайлов Н.К., Мухин П.В., Сукачёв Э.А. Принципы создания цифровых радиорелейных систем передачи с применением методов коррелятивного кодирования // Сб. науч. трудов 4-й Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (28-30 сентября 1998 г.). Харьков, 1998. С. 39-40.

44. Кожухарь И.Ф., Мухин П.В., Сукачёв Э.А. Тенденции развития радиорелейных систем передачи // Труды IV Междунар. научно-техн. конф. по телекоммуникациям (14-17 сентября 1999 г.). Одесса, 1999. С. 155-157.

Анотація

Сукачов Е.О. Теорія сигналів із компактним спектром та її застосування в системах передачі інформації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Українська державна академія зв'язку ім О. С. Попова, Одеса, 2001.

Дисертаційну роботу присвячено розробленню теорії аналізу й синтезу багатопараметричних сигналів із компактним спектром, що задовольняють критеріям Найквіста, та її застосуванню в цифрових телекомунікаційних системах. Запропоновано методи формування нових класів сигналів із фінітним спектром, вільних від МСІ, та методи синтезу сигналів із керованою МСІ для систем із корелятивним кодуванням. Розроблено методи параметричної оптимізації характеристик систем передачі. Запропоновано нові алгоритми та математичні моделі для систем радіозв'язку, котрі використовують частотну модуляцію з неперервною фазою. Розв'язано проблему реалізації методів корелятивного кодування в системах передачі цифрових потоків із високою спектральною ефективністю.

Ключові слова: критерії Найквіста, корелятивне кодування, частотна модуляція з неперервною фазою, спектральна ефективність, цифрові телекомунікаційні системи.

Аннотация

Сукачев Э. А. Теория сигналов с компактным спектром и её применение в системах передачи информации. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. Украинская государственная академия связи им. А. С. Попова, Одесса, 2001.

Диссертационная работа посвящена разработке теории анализа и синтеза многопараметрических сигналов с компактным спектром, удовлетворяющих критериям Найквиста, и ее применению в цифровых телекоммуникационных системах. Для введения заданного числа параметров в аналитическую запись сигнала, удовлетворяющего первому критерию Найквиста, предложен общий подход, сущность которого сводится к разложению в ряд спектральной плотности сигнала в переходной области. Решение задачи в общем виде позволило разработать ряд методов получения многопараметрических сигналов с финитным спектром, обладающих свойством селективности (отсчетности). Эти методы основаны на линейной двухпараметрической аппроксимации, кусочно-линейной трехпараметрической аппроксимации и четырехпараметрической аппроксимации с использованием линейной и синусоидальной составляющих.

Для исследования свойств многопараметрических селективных сигналов с финитным спектром разработан адекватный математический аппарат, в основу которого положен ряд доказанных теорем.

Предложен метод получения многопараметрических селективных сигналов с компактным спектром, которые содержат в заданной полосе частот определенную долю своей полной энергии.

Разработан общий подход к синтезу многопараметрических селективных сигналов с нелинейным фазовым спектром.

В работе разработаны теоретические основы методов коррелятивного кодирования на базе многопараметрических селективных сигналов с финитным спектром. Исследованы особенности формирования обобщенных сигналов с управляемой межсимвольной интерференцией (МСИ) и их спектров.

Решена проблема синтеза многопараметрических сигналов, свободных от МСИ, и сигналов с управляемой МСИ на основе методов сплайн-функций, предложенных методов траекторной параметрической оптимизации и методов приближения функций. Разработана методика получения многопараметрических сигналов, удовлетворяющих двум критериям Найквиста одновременно.

Исследованы возможности обобщения и унификации методов расчета спектральных характеристик частотно-модулированных сигналов с непрерывной фазой (ЧМ-НФ) для широкого круга случайных и детерминированных модулирующих сигналов. Получены точные расчетные формулы для определения спектральной плотности ЧМ-НФ колебаний при модуляции реализациями случайной импульсной последовательности конечной длительности при любом индексе модуляции, когда модулирующие импульсы допускают аппроксимацию отрезками косинусоиды. Разработан метод численного расчета спектральной плотности ЧМ-НФ колебаний для систем с коррелятивным кодированием, когда между импульсами в последовательности возникает межсимвольная информационная связь.

Разработана математическая модель цифровой системы передачи информационных потоков методом ЧМ-НФ для исследования влияния характеристик радиотракта на качественные показатели и оптимизации характеристик системы.

Решена проблема реализации методов коррелятивного кодирования в системах передачи цифровых потоков методом ЧМ-НФ с высокой спектральной эффективностью. Разработан ряд устройств сопряжения цифровых систем передачи со стволами аналоговых радиорелейных линий. Показана перспективность использования этих устройств в модернизации радиорелейной сети Украины.

Ключевые слова: критерии Найквиста, коррелятивное кодирование, частотная модуляция с непрерывной фазой, спектральная эффективность, цифровые телекоммуникационные системы.

Annotation

Sukachov E. A. Theory of compact spectrum signals and its application in information transmission systems. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree dissertation on speciality 05.12.13 - Radio Technology Devices and Telecommunicatios Means. Ukrainian state academy of telecommunications named after A.S. Popov, Odessa, 2001.

The dissertation is devoted to development of the theory of multiparameter compact spectrum Nyquist signals and its applications in digital communication systems. The methods of new classes bandwidth limited ISI-free signals creation and methods of controlled ISI signals synthesis for corralative level coding system are proposed. The methods of parameters optimization of performance are elaborated.

New algorithms and mathematical models for CPFSK radio systems are proposed. A problem of correlative digital communication technique realization is solved.

Key words: Nyquist signals, correlative level coding, continuous-phase frequency shift keying, spectrum efficiency, digital telecommunication.

Размещено на Allbest.ru

...