Розробка оптимальних систем передавання середовищами з ненормованими характеристиками

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

УДК 621.392:621.395

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ОПТИМАЛЬНИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАВАННЯ СЕРЕДОВИЩАМИ З НЕНОРМОВАНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Спеціальність 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

Єфремов Валерій Павлович

Одеса-2001

Дисертація є рукописом.

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

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент

Балашов Віталій Олександрович,

Одеський науково-дослідний інститут зв'язку, директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Поповський Володимир Володимирович,

Харківський державний політехнічний університет, зав. кафедрою

кандидат технічних наук, доцент

Гуцалюк Анатолій Кіндратович,

Український науково-дослідний інститут радіо і телебачення, заступник директора по науковій праці

Провідна установа: Український науково-дослідний

інститут зв'язку, Державний комітет зв'язку та інформатизації України, м. Київ

Захист відбудеться “03” жовтня 2001 р. о _10 год. _00_хв. 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 за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

Автореферат розісланий “_27_” серпня____ 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Н.О. Князєва

Загальна характеристика роботи

сигнал цифровий дисперсія перешкода

Актуальність теми. Перспективи прогресу в Україні зв'язані з найшвидшим повномасштабним входженням її у світовий економічний і інформаційний простір, однією з обов'язкових умов якого є наявність розвиненої мережі зв'язку, що надає абонентам широкий набір сучасних послуг. Незважаючи на спад виробництва, рівень економіки і соціальних відносин в Україні досить високий і сучасний рівень телекомунікаційних послуг явно недостатній. Потреби суспільства стимулювали прискорене впровадження мобільних і транкінгових радіозасобів, супутникових систем зв'язку, сучасних інформаційних мережних технологій. Це лише перші і необхідні кроки по шляху, кінцевою метою якого є побудова сучасної транспортної мережі зв'язку і мережі абонентського доступу, що задовольняють сучасним технічним і експлуатаційним вимогам, що надають весь спектр послуг зв'язку абонентам.

Широко розповсюджені на мережі зв'язку багатоканальні системи передавання (БСП) з частотним розділенням і розділенням у часі каналів (БСП ЧРК і БСП РЧК) проектувалися й оптимізувались під лінії зв'язку (середовища передавання), що мають стабільні в часі лінійні частотні характеристики й адитивні, як правило, з нормальним законом розподілу, шуми. Однак, ряд каналів і серед них, у першу чергу, радіоканали мають нестабільні частотні характеристики, швидкість зміни яких не дозволяє ефективно відслідковувати їх за допомогою коректорів. Характерною рисою радіоканалів, а також неекранованих абонентських ліній зв'язку, є наявність могутніх зосереджених за спектрами і імпульсних перешкод. У зарубіжній літературі з метою підкреслення специфічних характеристик таких каналів, обумовлених властивостями середовищ передачі сигналів, застосовується термін “недосконала“ (imperfect) середовище передачі. На цей час у світовій практиці остаточно сформувалася точка зору, що оптимальними системами передавання цифрової інформації (СПЦІ) по “недосконалих“ середовищах є системи передавання (СП), що використовують системи ортогональних сигналів-переносників, одночасно і незалежно модулюємих переданими інформаційними сигналами. Ці системи мають специфічні технічні характеристики і алгоритми обробки сигналів і у вітчизняній технічній літературі одержали назву БСП із розділенням сигналів (каналів) за формою (РФ) - БСП РФ. Однак у даний час більш відповідне змісту процесів передавання назва цього класу СП - системи передавання ортогональними сигналами (СП ОС).

Найбільше поширення, через ряд достойностей, одержала для побудови СП ОС система ортогональних гармонійних сигналів (ОГС). Так, наприклад, система T-DAB для високоякісного стереофонічного радіомовлення з якістю компакт-диску в УКХ діапазоні використовує метод модуляції CODFM (Coding Orthogonal Frequency Division Multiplex). Розроблено стандарт на основі CODFM для передавання цифрового телебачення високої чіткості. СП ОС, що використовують ортогональні гармонійні сигнали (СП ОГС) - багатоканальні модеми, успішно застосовуються для передавання інформації по смугообмежених провідних каналах і фізичних лініях зв'язку. Фірмою Telebit розроблений модем WordBlaser, що використовує спеціальний метод модуляції TurboPEP. При передачі даних по телефонних каналах тональної частоти (ТЧ) модем використовує 511 ортогональних гармонійних несучих, кожна з який тестується при встановленні з'єднання, а швидкість передачі в кожному з каналів задається відповідно до обмірюваного відношення сигнал/шум. У результаті оптимізуються як швидкість передачі, так і смуга частот, зайнята груповим сигналом, у залежності від характеристики каналу зв'язку. Модем забезпечує швидкість передачі даних до 23000 біт/с по каналу ТЧ і стійко працює по каналах зі значними лінійними спотвореннями і шумами. Для передачі по абонентських двопровідних лініях зв'язку рекомендацією ITU G. 992 (1,2) регламентований асиметричний спосіб передачі даних - ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Line). Стандартом рекомендовано для ADSL метод передавання ортогональними гармонійними сигналами, який має назву DMT (Discrete Multitone). ADSL-модем забезпечує швидкість передачі по абонентських лініях до 7Мбіт/с “униз” до абонента і до 768 кбіт/с “уверх” до цифрової мережі. DMT-модуляція рекомендована також для побудови VDSL-модемів на швидкість передачі по абонентських лініях до 54 Мбіт/с.

Широке поширення СП ОС зв'язане з тим, що ці системи забезпечують більш високу, чим БСП із РЧК чи ЧРК ефективність передачі інформації по каналах зв'язку з ненормованими і нестабільними у часі частотними характеристиками, з адитивними і мультиплікативними перешкодами. Це є результатом ряду специфічних достойностей СП, що використовують метод передачі ОС.

Таким чином, на цей час стрімко розвиваються теорія, принципи побудови й алгоритми функціонування нового класу СПЦІ - СП ОС, що забезпечують більш високі техніко-економічні характеристики. Дослідження теоретичних і реалізаційних принципів побудови СП ОС є актуальною сучасною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок і тематика досліджень дисертаційної роботи безпосередньо випливає з задач в сфері науки, сформульованих у державній програмі “Комплексна програма створення єдиної національної системи зв'язку України до 2010 року”, а також у Концепції: “Розвиток мереж зв'язку України до 2010 року”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України № 223/8 від 9.12.1999 р.

Основні результати роботи отримані в процесі виконання науково-дослідних робіт, що проводилися в Українській державній академії зв'язку ім. О. С. Попова на замовлення Державного комітету зв'язку та інформатизації України і ВАТ “Укртелеком”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методів синтезу оптимальних сигналів-переносників і алгоритмів функціонування СПЦІ з ортогональним розділенням сигналів, що забезпечують високу ефективність передачі інформації по каналах і середовищах з ненормованими і нестабільними частотними і часовими характеристиками.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

Сформулювати і вирішити задачу синтезу сигналів-переносників і опорних сигналів n-канальної СПЦІ за критерієм мінімуму дисперсії сумарної перешкоди, породженої на виходах кореляторів приймача адитивними, мультиплікативними перешкодами і лінійними частотними спотвореннями сигналів.

Розробити методику синтезу сигналів із заданими моментами перетинання нульового рівня, які мають мінімальну ширину спектра.

Розробити методику синтезу сигналів, автокореляційна функція яких у середньоквадратичному змісті наближена до заданої.

Дослідити алгоритми лінійної обробки сигналів на основі багатомірних ортогональних перетворень.

Розробити методику оптимізації спектра групового сигналу СП з ортогональними сигналами.

Розробити методику моделювання СП ОГС і здійснити розрахунок інтерференційних перешкод.

Розробити структурну схему і алгоритми функціонування універсальної СПЦІ на базі СП ОГС.

Об'єкт дослідження

Об'єктом досліджень у роботі є системи передавання з ортогональним розділенням сигналів.

Предмет дослідження

Предметом досліджень є методи синтезу оптимальних сигналів-переносників і алгоритмів функціювання СП ОС.

Методи дослідження

Методи дослідження ґрунтуються на використанні: теорії зв'язку, теорії функціонального аналізу, теорії оптимізації, теорії ймовірностей, методів математичного та імітаційного моделювання СПЦІ.

Наукова новизна отриманих результатів

Розроблено методику синтезу сигналів-переносників і опорних сигналів багатоканального кореляційного приймача за критерієм мінімуму дисперсії сумарної перешкоди, породженої на виходах кореляторів приймача адитивними, мультиплікативними перешкодами і лінійними частотними спотвореннями сигналів.

Розроблено методи оптимального синтезу сигналів-переносників багатоканальних СПЦІ із заданими моментами перетинання нульового рівня, які мають мінімальну ширину спектра, а також синтезу сигналів із заданою автокореляційною функцією.

Досліджено задачу оптимальної лінійної обробки багатомірних сигналів. Показано, що

мінімум дисперсії шуму на виході оптимального лінійного фільтра не залежить від виду багатомірного ортогонального перетворення;

процес декореляції функції сигналу за допомогою решіткових перетворень приводить до значно менших спотворень відтворенного сигналу, чим безпосереднє кодування;

решіткові перетворення за критерієм мінімуму СКО і дисперсійних критеріїв є екстремальними стосовно інших видів відомих перетворень.

Доведено ефективність застосування в СП ОГС формування спектра групового сигналу за критерієм максимізації швидкості передачі по каналах зв'язку.

Практичне значення отриманих результатів.

Застосування синтезованих за розробленою методикою сигналів із заданими моментами перетинання нульового рівня дозволяє будувати СПЦІ, малочутливі до мультиплікативних перешкод типу плоскої зміни коефіцієнта передачі каналу.

Сигнали з необхідною автокореляційною функцією спрощують побудову систем тактової синхронізації.

Результати аналізу алгоритмів лінійної обробки сигналів на основі багатомірних перетворень застосовні в задачах редукції інформаційної надмірності багатомірних сигналів.

Алгоритм оптимізації спектра потужності групового сигналу може бути рекомендований для застосування в СП ОГС. Розрахунки і моделювання алгоритму продемонстрували його високу ефективність.

Результати розробки універсальної СПЦІ на базі СП ОГС можуть бути покладені в основу дослідно-конструкторської розробки сучасної високоефективної СП по металевих кабелях.

Розроблені специфічні для СП ОГС алгоритми: тактової синхронізації, корекції лінійних частотних спотворень, модуляції-демодуляції сигналів на основі алгоритму ШПФ відрізняються високою обчислювальною ефективністю і можуть бути використані для побудови СП ОГС різного призначення.

Особистий внесок здобувача.

Здобувачем виконано одноосібно:

Розроблено методику синтезу сигналів по поліноміальній моделі для СПЦІ, стійких до впливу мультиплікативних перешкод типу плоскої зміни коефіцієнта передачі каналу зв'язку.

Здійснено практичний синтез за розробленою методикою сигналів із заданими моментами перетинання нульового рівня і мінімальною шириною спектра.

Розроблено розрахункові методики і здійснені розрахунки залежності СКП різних скалярних фільтрів від розмірності простору дискретного представлення багатомірного сигналу і розподілів дисперсій за коефіцієнтами для різних ортогональних перетворень.

Розроблено методику моделювання інтерференційних перешкод, породжених лінійними частотними спотвореннями сигналів у СП ОГС, і здійснене моделювання СП ОГС при оптимальному формуванні спектра потужності групового сигналу.

Розроблено структурну схему універсальної СПЦІ на базі СП ОГС, призначеної для роботи по металевих кабелях зв'язку.

Розроблено високоефективні в обчислювальному відношенні алгоритми обробки сигналів у СП ОГС, призначені для побудови СП різного призначення.

Апробація результатів дисертації.

Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи обговорювалися на:

IV Міжнародній науково-технічній конференції НТК - Телеком-99. 14-17 вересня 1999 р., Одеса;

щорічних (1996-2000 р.) науково-технічних конференціях УДАЗ
ім. О.С. Попова і наукових семінарах кафедри “Основ схемотехніки”.

За результатами досліджень підготовлений навчальний посібник “Синтез многоканальных устройств преобразования сигналов”, що використовується в навчальному процесі УДАЗ ім. О.С. Попова.

Публікації

За темою дисертаційної роботи опубліковано 9 наукових праць, у тому числі: навчальний посібник, шість статей (три - одноосібно) у збірниках наукових праць і журналах, рекомендованих ВАК України для опублікування наукових праць здобувачів, дві доповіді в Працях міжнародної НТК.

Обсяг роботи

Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 177 сторінок, з них: 138 сторінок основного тексту, 8 сторінок з малюнками і 7 сторінок списку використаних джерел, що включає 78 найменувань.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність проблеми досліджень, проведених у дисертаційній роботі, їх наукова і практична цінність, сформульовані мета роботи і задачі, які необхідно розв'язати для досягнення поставленої мети, представлені положення, що виносяться на захист.

У першому розділі розглянуті загальні теоретичні питання побудови СПЦІ, що використовують для передачі обмежену множину ортогональних сигналів-переносників, незалежно модулюємих передаваними сигналами. Такі системи передавання одержали назву системи передачі ортогональними сигналами (СП ОС). Введено узагальнену модель n-канальної СП ОС, що використовує для передавання систему функцій частоти

, p = 0, 1, 2, ... , < < , (1)

задовольняючих умові ортогональності

(2)

,

де - верхня частота смуги пропускання каналу зв'язку,

- тактовий інтервал передачі,

риса над означає комплексну спряженість.

Сформульовано математичні критерії відсутності інтерференційних перешкод у n-канальної СП ОС по смугообмеженому каналу зв'язку.

Сформульовано критерії вибору системи ортогональних сигналів, що забезпечують при відсутності інтерференційних перешкод максимальну (найквістову) швидкість передачі по смугообмеженому каналу зв'язку.

Розглянуто задачу синтезу оптимальних багатоканальних СПЦІ по середовищах і каналах з ненормованими і нестабільними в часі характеристиками й адитивними перешкодами різного роду. Як критерій синтезу рекомендований критерій мінімуму середньоквадратичного відхилення сигналів на виходах оптимізуємого приймача від сигналів на виходах оптимального приймача для каналу зв'язку, що не має спотворювань, з адитивним гаусівським шумом.

В другому розділі дисертації розглянутий ряд задач синтезу сигналів оптимальних СПЦІ.

Особливістю розглянутих задач є те, що досліджується багатоканальна СПЦІ й оптимізується деяка множина сигналів-переносників. На відміну від задач оптимізації одноканальних СПЦІ, що використовують один, періодично переданий сигнал-переносник, у розглянутій задачі принципово існує можливість оптимально задавати параметри кожного із сигналів використовуваного ансамблю. За рахунок цього значно розширюються можливості адаптації параметрів передаваного групового сигналу СП під конкретні характеристики реальних каналів зв'язку, що дозволяє досягти кращих результатів оптимізації.

Сформульовано загальну задачу синтезу опорних сигналів n-канальної СПЦІ з кореляційним прийомом за критерієм мінімуму дисперсії сумарної перешкоди на виходах кореляторів, породжуваної адитивними, мультиплікативними перешкодами і лінійними частотними спотвореннями передавальної функції (ПФ) каналу зв'язку, усередненими по множині реалізацій характеристик каналів. Рішення сформульованої задачі шукається шляхом мінімізації функціонала, що задає результуючі перешкоди, методом множників Лагранжа. Показано, що оптимальні опорні сигнали задовольняють інтегральному рівнянню Фредгольма другого роду.

Розглянуто варіанти рішень сформульованої загальної задачі синтезу: визначення оптимальних спектрів сигналів-переносників багатоканальної СПЦІ, а також спільна оптимізація спектрів сигналів-переносників і передавальних функцій прийомних фільтрів багатоканального приймача.

Для каналів передавання сигналів з мультиплікативними перешкодами типу широкосмугових завмирань, що приводять до зміни модуля коефіцієнта передачі каналу, ефективними є методи передачі, засновані на вимірі положення нулів сигналів-переносників.

Розроблено методику синтезу сигналів із заданими моментами перетинання нульового рівня та які мають мінімально можливу при цьому ширину спектра. Сигнали з необхідними властивостями є рішенням відповідної оптимізаційної задачі.

Шуканий сигнал наводиться добутком поліномів

(3)

де G(t) - відома, неперервна на інтервалі [-Т/2, Т/2], функція, а

q_n = 1, (4)

-- многочлен ступеня п.

Енергія сигналу, яка сконцентрована в смузі частот (-, ), описується функціоналом

(5)

а повна енергія - функціоналом

(6)

Після підстановок у (5) і (6)

 (7)

(8)

приходимо до рівнянь:

(9)

(10)

де

У результаті одержуємо таку задачу по оптимальному синтезу сигналу з заданими нулями, що має максимальну енергію в смузі частот [-/2, /2]:

знайти такі q₀, q₁, ..., q_n, що доставляють максимум квадратичній формі (9) за умови (10).

Рішення цієї задачі, як відомо, збігається з рішенням іншої екстремальної задачі, а саме - відшукання екстремума квадратичної форми

(11)

де - множник Лагранжа,

Відшукання екстремума (11) здійснюється методами умовної оптимізації.

При проектуванні багатоканальних СПЦІ виникає необхідність контролювати й оптимізувати прогнозований рівень не тільки сумарних інтерференційних перешкод, але і роздільно міжканальних і міжсимвольних. Розроблена в другому розділі дисертації методика мінімізації інтерференційних перешкод у багатоканальних СПЦІ вибором форми сигналів-переносників дозволяє синтезувати сигнали, що забезпечують мінімальні перешкоди.

Оптимальні сигнали шукаються в класі поліноміальних сигналів у вигляді розкладання по ортонормованій системі заданих функцій. У такій постановці задачі визначенню підлягають коефіцієнти ряду. Це спрощує рішення сформульованої задачі і дозволяє одержати аналітичне рішення.

Сформульовано і вирішено задачу синтезу сигналу, автокореляційна функція якого в середньоквадратичному змісті щонайкраще близька до заданої потрібної функції. Задача вирішена в класі поліноміальних сигналів. Розглянуто приклад синтезу поліноміального сигналу за розробленою методикою.

У третьому розділі дисертації досліджується задача оптимальної лінійної обробки багатомірних сигналів, зокрема, розв'язується задача оптимального дискретного надання багатомірних сигналів. Розглядається узагальнена модель лінійного перетворення багатомірних сигналів, окремим випадком якого є узагальнена вінерівська фільтрація. У випадку задачі оптимальної лінійної фільтрації матриця фільтра А визначається за умови мінімізації середньоквадратичної похибки (СКП) від х

, (12)

де Е - символ математичного чекання;

t - символ транспонування вектора.

Рівняння для визначення матриці А оптимального фільтра описується виразом:

AТ=(Cov_x + Cov_w)T ^t = TCov_хТ^t , (13)

де Cov_x і Cov_w - коваріаційні матриці сигналу і шуму відповідно;

A= TCov_xT^t [T(Cov_x + Cov_w)T ^t]-¹ = TA₀Т ^t, (14)

де A₀ - матриця відгуку,

A₀ = Cov_x(Cov_x + Cov_w).

З урахуванням (14) мінімальне значення СКП фільтрації дорівнює

_min = Sp[Cov_x - Cov_x(Cov_x + Cov_w)-¹ Cov_x], (15)

де Sp…-символ, що позначає операцію перебування сліду матриці.

Таким чином, _min цілком визначається за допомогою матриць Cov_x і Cov_w і, отже, завжди може бути обчислена.

З (15) випливає також висновок, що мінімальне СКП не залежить від використовуваного ортогонального перетворення, тому що слід матриці є інваріант щодо будь-якого ортонормованого перетворення.

Основною перешкодою для здійснення лінійного перетворення за схемою рис. 1 у реальному масштабі часу є те, що число необхідних операцій множення пропорційно п², де п - розмір матриці фільтра. Ця обставина породжує необхідність пошуку ортогональних перетворень, що забезпечують мінімальне СКП фільтрації при однаковій розмірності перетворення Т, та для яких існують швидкі методи їхнього обчислення.

У плані мінімального СКП, як відомо, оптимальним є перетворення Карунена-Лоева (ПКЛ). Однак не існує загального швидкого алгоритму для його обчислення.

Був здійснений пошук оптимальних ортогональних перетворень Т з швидкими алгоритмами серед таких відомих, як дискретні перетворення Фур'є (ДПФ), перетворення Уолша-Адамара (ПУА), Хаара (ПХ), дискретне косинусне перетворення (ДКП) і ін. У результаті аналізу доводиться, що оптимальними для дискретизації багатомірних сигналів є решіткові перетворення.

Показано також, що процес декореляції функції сигналу за допомогою решіткових перетворень приводить до значно менших спотворень відтвореного сигналу, чим безпосереднє кодування даних.

Показано, що оптимальність решіткових перетворень за критерієм мінімуму СКП і дисперсійних критеріях є екстремальною стосовно інших видів відомих перетворень, що важливо, наприклад, для практичних додатків фільтрації як процесу скорочення надмірності інформаційного сигналу.

У четвертому розділі дисертації досліджуються СП ОГС, які використовують сигнали-переносники, що являють собою гармонійні сигнали кратних частот, ортогональні на заданому інтервалі часу

0, 1, 2, … , N - 1, (16)

,

де ₀ - інтервал ортогональності.

Ортогональні гармонійні сигнали в силу обмеженої тривалості розділяються кореляційними методами. При виконанні визначених вимог операції модуляції і демодуляції ОГС можна здійснювати за допомогою відповідно зворотного і прямого ДПФ, для яких існують швидкі методи обчислення ДПФ - ШПФ. Це дозволяє використовувати для побудови СП ОГС значне число (сотні) несучих без істотного збільшення складності апаратури. Збільшення тривалості тактового інтервалу стосовно інтервалу ортогональності на тривалість захисного інтервалу забезпечує малу чутливість СП ОГС до лінійних частотних спотворень, а за умови, що тривалість імпульсної реакції наскрізного каналу передачі менше тривалості захисного інтервалу, кореляційна обробка може бути здійснена без інтерференційних перешкод між сигналами.

Багаточастотна структура групового (передаваного) сигналу СП ОГС дозволяє оптимізувати його спектр за різними критеріями. Одним із практично успішних підходів є оптимізація спектра за критерієм максимізації швидкості передачі при обмеженні на потужність передаваного сигналу. Ця задача може розв'язуватися як при обмеженні смуги частот так і без обмеження.

Розроблено алгоритм оптимізації спектра потужності групового сигналу, передаваного по смугообмеженому каналу зв'язку з лінійними частотними спотвореннями передавальної функції, на основі метода Чау. У методі Чау спочатку варіюється число несучих сигналів і розмірність КАМ-сузір'я на кожній несучій, а потім - потужність несучих. Здійснено моделювання розробленого алгоритму і проведено ряд розрахунків оптимальних розподілів біт переданої інформації по несучих СП ОГС для різних варіантів каналів зв'язку.

Результати моделювання алгоритму при високих захищеностях близькі до результатів оптимізації спектра за алгоритмом Хафса-Хертога. Однак при низьких захищеностях останній алгоритм забезпечує більш високу швидкість передачі, що випливає з можливості варіювати одночасно і вид сузір'я, і потужність кожної несучої.

Здійснено порівняльний аналіз переваг оптимального підходу до формування спектра стосовно використовуваного в традиційних методах передачі, заснованим на передспотворені спектра сигналу на передачі і його корекції на прийомі. Графіки розподілу потужності групового сигналу по несучим 254 канальної СП ОГС при оптимальному розподілі - M_opt(i), при передспотворені - M_dist(t) і при корекції на прийомі - M_cor(i). З метою аналізу була розроблена методика оцінки швидкості передачі інформації з різних каналів зв'язку із застосуванням зазначених методів. У результаті моделювання встановлено, що при малих захищеностях групового сигналу (до 10 дБ) усі три підходи практично еквівалентні. З ростом захищеності метод корекції значно поступається по забезпечуваній швидкості передачі першим двом. Співвідношення у швидкості передачі, забезпечуване оптимальним підходом і передспотворенням, у значній мірі залежить від величини частотних лінійних спотворень, чим більше величина спотворень, тим більше програш методу передспотворень.

Для аналізу розглянутих методів за величиною інтерференційних перешкод, породжуваних частотними лінійними спотвореннями групового сигналу при його проходженні через середовище передавання, розроблена програма розрахунку зазначених перешкод і здійснені розрахунки.

У п'ятому розділі ставиться і розв'язується задача розробки універсальної СПЦІ на базі СП ОГС, призначеної для роботи по металевих кабелях зв'язку. Зокрема показується, що універсальна СПЦІ може застосовуватися у випадку модернізації існуючих аналогових СП типу К-60-П, що працюють по симетричних кабелях.

Розглянуто різні варіанти організації цифрових трактів по існуючих кабельних лініях апаратури К-60-П. Шляхом розрахунку інтерференційних перешкод, породжуваних частотними лінійними спотвореннями переданих сигналів, визначені параметри групового сигналу 576-ти канальної СП ОГС, що забезпечує передачу цифрової інформації зі швидкістю 4096 кБит/с по лінійному тракту апаратури К-60-П на ділянці ОПП - ОПП, (ОПП - підсилювальний пункт, що обслуговується,). При організації цифрового тракту на ділянці НПП - НПП (ПП, що не обслуговується), ця СП ОГС забезпечує швидкість передачі удвічі вище.

Розроблено структурну схему передавача СП ОГС і алгоритми обробки групового сигналу в приймачі СП ОГС-4096.

Серед алгоритмів СП ОГС детально розроблені специфічні алгоритми тактової синхронізації, корекції частотних спотворень ПФ каналу зв'язку, компенсації лінійних спотворень демодульованих сигналів і зміни частоти дискретизації прийнятого сигналу, шляхом перерахування цифрового сигналу по спеціальному алгоритму.

Задача корекції для СП ОГС є нетрадиційною в плані критеріїв корекції. У більшості систем зв'язку коректори налагоджуються таким чином, щоб наскрізна передавальна функція каскадного включення каналу зв'язку, формуючих фільтрів передавача, прийомних фільтрів приймача і коректора була або лінійною (постійна амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), лінійна фазо-частотна характеристика (ФЧХ)) у смузі частот передаваного сигналу або задовольняла критерію Найквіста. Для СП ОГС мінімуму інтерференційних перешкод відповідає обмеження тривалості імпульсної реакції (ІР) наскрізного тракту тривалістю захисного інтервалу. Ця обставина спонукала інтерес до розробки алгоритмів корекції, що обмежують тривалість ІР наскрізного тракту передачі. На рис. 3 наведена модель досліджуваної в дисертації системи корекції СП ОГС.

Коректор налагоджується таким чином, щоб мінімізувати величину відхилення е його ІР k(pТ) від бажаної (еталонної) ІР (БІР) q(kТ). Число відліків БІР (тривалість еталонної ІР) задається рівним числу відліків групового сигналу на захисному інтервалі, а її форма синтезується в процесі адаптації шляхом мінімізації відхилення е. На входи передавача і блока формування БІР подаються настроювальні сигнали від генератора псевдовипадкової послідовності (ПВП).

Здійснено розробку алгоритмів адаптації коректора і блока формування БІР, а також моделювання системи корекції.

Висновки

Дисертаційна робота присвячена рішенню важливої науково-технічної проблеми - розробці оптимальних систем передавання по каналах і середовищах з ненормованими і нестабільними в часі характеристиками, адитивними і мультиплікативними перешкодами. Оптимальними СП для подібних каналів і середовищ передачі є СП із смугообмеженими ортогональними сигналами, ефективна ширина спектра кожного з яких значно менше смуги частот групового сигналу. Цьому критерію відповідають СП ОГС, що використовують гармонійні сигнали, достойністю яких стосовно інших систем смугообмежених ортогональних сигналів є існування швидких методів прямого і зворотного перетворень Фур'є - ШПФ.

У дисертаційній роботі отримані такі основні наукові і практичні результати.

Основні наукові результати.

Розроблено методику синтезу сигналів-переносників і опорних сигналів багатоканального кореляційного приймача за критерієм мінімуму дисперсії сумарної перешкоди, породженої на виходах кореляторів приймача адитивними, мультиплікативними перешкодами і лінійними частотними спотвореннями сигналів.

Розроблено методи оптимального синтезу сигналів-переносників багатоканальних СПЦІ з заданими моментами перетинання нульового рівня, які мають мінімальну ширину спектра, а також синтезу сигналів, із заданою автокореляційною функцією.

Досліджено задачу оптимальної лінійної обробки багатомірних сигналів. Показано, що:

мінімум дисперсії шуму на виході оптимального лінійного фільтра не залежить від виду багатомірного перетворення;

процес декореляції функції сигналу за допомогою решіткових перетворень призводить до значно менших спотворень відтвореного сигналу, чим безпосереднє кодування;

решіткові перетворення за критерієм мінімуму СКП і дисперсійними критеріями є екстремальними стосовно інших видів відомих перетворень.

Доведено ефективність застосування в СП ОГС формування спектра групового сигналу за критерієм максимізації швидкості передачі по каналах зв'язку.

Основні практичні результати.

Застосування синтезованих за розробленою методикою сигналів із заданими моментами перетинання нульового рівня дозволяє будувати СПЦІ малочутливі до мультиплікативних перешкод типу плоскої зміни коефіцієнта передачі каналу.

Сигнали з необхідною автокореляційною функцією корисні в системах тактової синхронізації.

Результати аналізу алгоритмів лінійної обробки сигналів на основі багатомірних перетворень застосовні в задачах редукції інформаційної надмірності багатомірних сигналів.

Алгоритм оптимізації спектра потужності групового сигналу може бути рекомендований для застосування в СП ОГС. Результати моделювання продемонстрували його високу ефективність.

Результати розробки універсальної СПЦІ на базі СП ОГС можуть бути покладені в основу дослідно-конструкторської розробки сучасної високоефективної СП по металевих кабелях.

Розроблені специфічні для СП ОГС алгоритми: тактової синхронізації, корекції лінійних частотних спотворень, модуляції-демодуляції на основі алгоритму ШПФ, відрізняються високою обчислювальною ефективністю і можуть бути використані для побудови СП ОГС різного призначення.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в таких роботах

Ефремов В. П., Ляховецкий Л.М. Методы коррекции и предыскажений в системах связи с полосноограниченными канальными сигналами // Труды IV международной конференции по телекоммуникациям. НТК-99. 14-17 сентября 1999 г. - Одесса. - С. 243-246.

Ефремов В.П. Вычислительная модель одного класса оптимальных полиномиальных сигналов // Труды IV международной конференции по телекоммуникациям. НТК-99. 14-17 сентября 1999 г. - Одесса. - С. 342-345.

Ефремов В.П. Синтез сигналов для многоканальных систем связи // Праці УНДІРТ. - 1999. -№ 2. - С. 17-19.

Ефремов В.П. Синтез цифро-аналоговых устройств преобразования сигналов // Труды УНИИРТ. - 1995. - № 4. - С. 58-60.

Ефремов В.П., Панфилов И.П. .Плотников В.М. Анализ процесса редукции избыточности информации посредством ортогональных преобразований на решеточных структурах дискретизации // Информатика и связь. - Киев: Техніка, 1999.

Ефремов В.П., Панфилов И.П. Синтез сигналов по заданной корреляционной функции // Информатика и связь: Труды УГАС им. А.С. Попова, 1997. - С. 41-44.

Ефремов В.П., Панфилов И.П. Синтез сигналов, максимально сжатых в частотной области, с заданными нулями во временной области // Информатика и связь. Киев: Техніка, 1995. - С. 7-12.

Ефремов В.П., Балашов В.А., Панфилов И.П. Синтез многоканальных устройств преобразования сигналов. Учебное пособие. - Одесса, 2000. - 78 с.

Балашов В.А., Ефремов В.П., Ляховецкий Л.М. Системы передачи по рекомендации G 992 // Зв'язок. - № 7. - 2001. - С. 34-40.

Єфремов В.П. Розробка оптимальних систем передавання середовищами з ненормованими характеристиками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. Українська державна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Одеса, 2001.

Дисертація присвячена розробці методів синтезу оптимальних сигналів-переносників, опорних сигналів і алгоритмів функціонування багатоканальних систем передачі цифрової інформації (СПЦІ) з ортогональним розділенням сигналів, які забезпечують високу ефективність передачі інформації каналами і середовищами з ненормованими і нестабільними частотними та часовими характеристиками, адитивними та мультиплікативними завадами.

У роботі запропоновано ряд методик синтезу оптимальних сигналів-переносників і опорних сигналів багатоканальних СПЦІ з кореляційним прийомом; досліджено задачу оптимальної лінійної обробки багатомірних сигналів; розроблено алгоритм оптимізації спектра групового сигналу багатоканальної СПЦІ; розроблено структурні схеми передавача і приймача, алгоритми функціонування систем передачі з ортогональними гармонійними сигналами, достойністю яких стосовно інших систем смугообмежених ортогональних сигналів є існування швидких методів прямого і зворотного перетворення Фур'є. Багатоканальна структура групового сигналу дозволяє оптимізувати спектр потужності передаваного сигналу, ефективно боротися з зосередженими за спектром та імпульсними завадами, спрощує вимоги до систем автоматичного регулювання за точністю і швидкістю адаптації.

Ключові слова: система передавання, ортогональні сигнали, ортогональне розділення, канал зв'язку, гармонічні сигнали.

Ефремов В.П. Разработка оптимальных систем передачи по средам с ненормированными характеристиками. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. Украинская государственная академия связи им. А.С. Попова, Одесса, 2001.

Диссертация посвящена разработке методов синтеза оптимальных сигналов-переносчиков опорных сигналов и алгоритмов функционирования многоканальных систем передачи цифровой информации (СПЦИ) с ортогональным разделением сигналов, обеспечивающих высокую эффективность передачи информации по каналам и средам с ненормированными и нестабильными частотными и временными характеристиками, аддитивными и мультипликативными помехами.

В работе исследуется метод передачи информации, основанный на применении множества ортогональных полосноограниченных сигналов, модулируемых и передаваемых одновременно (параллельно). Многоканальная структура группового сигнала позволяет оптимизировать спектр мощности передаваемого сигнала, эффективно бороться с сосредоточенными по спектру и импульсными помехами, упрощает требования к системам автоматического регулирования по точности и скорости адаптации.

К основным научным и практическим результатам работы относятся:

метод синтеза сигналов-переносчиков и опорных сигналов многоканального корреляционного приемника по критерию минимума дисперсии суммарной помехи, порожденной на выходах корреляторов приемника аддитивными, мультипликативными помехами и линейными частотными искажениями сигналов;

методы оптимального синтеза сигналов-переносчиков многоканальных СПЦИ с заданными моментами пересечения нулевого уровня и обладающих минимальной шириной спектра, а также синтеза сигналов, с заданной автокорреляционной функцией;

анализ зависимости СКО различных скалярных фильтров от размерности пространства дискретного представления многомерного сигнала и распределений дисперсий по коэффициентам для различных ортогональных преобразований;

методика и алгоритмы формирования спектра группового сигнала по критерию максимизации скорости передачи по каналу связи;

структурные схемы и алгоритмы функционирования универсальной СПЦИ с ортогональными гармоническими сигналами.

Результаты исследований могут быть положены в основу методик проектирования современных оптимальных систем передачи по каналам и средам с ненормированными и нестабильными характеристиками.

Ключевые слова: система передачи, ортогональные сигналы, ортогональное разделение, канал связи, гармоничные сигналы

Yefremov V.P. Development of an optimal systems of transmission through nonstandardized performance media. - Manuscript.

Dissertation for the application of a scientific of a candidate of technical sciences on speciality 05.12.02 -telecommunication systems and networks. Ukrainian state academy of Telecommunications named after A.S. Popov, Odessa, 2001

Dissertation are dedicated to development of synthesis methods of optimal carrier signals, reference signals and operation algorythms of multichannel digital transmission systems with orthogonal division of signals, which provide high perfomance of data transmission through channels and media with nonstandardized and unstable frequency and time responces, additive and multiplicative noise.

Work represents a number of synthesis principles for optimal carrier signals and reference signals of multichannel digital transmission systems with correlational reception; investigates the problem of an optimal linear processing of many-dimensional signals; develops algorythm of optimization of group signal spectrum of multichannel digital transmission systems; develops structural schemes of transmitter and reciever, operational algorythms of transmission systems with orthogonal harmonical signals, advantages of which, in compare with other band-limited orthogonal signals, are presence of fast methods of Fourier transform. Multichannel structure of group signal allows to optimize power spectrum of transmitted signal, fights effectively spectral and pulse noise, simplifies requirements for automatic control systems concerning accuracy and adaptation speed.

Keywords: transmission system, orthogonal signals, orthogonal division, communication channel, harmonical signals.

Размещено на Allbest.ru