Дослідження та розробка методів достовірного визначення характеристик радіоканалів з випадково змінними параметрами

Размещено на http://allbest.ru

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЗВ'ЯЗКУ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РОЗРОБКА МЕТОДІВ ДОСТОВІРНОГО ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАДІОКАНАЛІВ З ВИПАДКОВО ЗМІННИМИ ПАРАМЕТРАМИ

ВИКОНАЛА БІЛИК НАТАЛЯ МИХАЙЛІВНА

КИЇВ - 2008



АНОТАЦІЯ

Білик Н.М. Дослідження та розробка методів достовірного визначення характеристик радіоканалів з випадково змінними параметрами. - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Український науково-дослідний інститут зв'язку Міністерства транспорту і зв'язку України, Київ, 2008.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню окремих задач отримання достовірних результатів при вимірюванні та оцінці заданих параметрів в інформаційних радіомережах, а саме: створенню математичних моделей, алгоритмів та методик щодо процедури встановлення достовірних показників вимірювань та статистичної обробки результатів та на цій основі - розробка методу підвищення достовірності результатів вимірювань.

В роботі вирішені задачі достовірного відображення інформаційного та випробувального сигналів та спектрів на виході каналу з параметрами, що випадково змінюються; підвищення точності оцінки вимірювань на основі формування сигналу на виході радіоканалу, який має задані властивості; практичного застосування методу дослідження спектру завмирань з реєстрацією квадратурних складових інформаційного сигналу і встановлення його доцільності з зазначенням переваг перед методами з реєстрацією огинаючої сигналу; зондування радіоканалу складним сигналом з незначним пік-фактором та певною автокореляційною функцією, рівноцінне імпульсному зондуванню; встановлення умов, при яких є можливість визначення максимально правдоподібних оцінок вимірювань в радіоканалах, включаючи оцінку огинаючої та оцінку фази сигналу.

В результаті дослідження проведено вибір методу достовірного спектрального оцінювання сигналу, а також визначено оптимальний порядок моделі каналу стосовно завдань достовірного встановлення діагностичних параметрів середовища розповсюдження і самого інформаційного сигналу, що дозволяє створювати системи достовірної технічної діагностики телекомунікаційного устаткування, що працює в реальному режимі часу, дати оцінку працездатності об'єкту з високим ступенем достовірності на основі отриманих результатів обробки статистичних даних профілактичних і планових вимірювань.

сигнал радіоканал спектр імпульсний



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Життя сучасного суспільства вже неможливо представити без тих досягнень, які були зроблені в цій галузі за період, менший за сто років. Відмінна особливість нашого часу - безперервно зростаюча потреба в передачі потоків інформації по індивідуальних радіоканалах, як на короткі, так і на великі відстані. Це обумовлено багатьма причинами, і в першу чергу тим, що зв'язок став одним з самих основних засобів спілкування між людьми і одним з основних інформаційних важелів управління соціальними, економічними та іншими глобальними процесами. Одночасно, зазнаючи значні зміни, стаючи багатобічним і всеосяжним, радіозв'язок кожної країни стає все більш інтегрованим в світовий телекомунікаційний простір. Таким чином, розвиток сектора мобільних інформаційних технологій (МІТ) має першорядне значення для будь-якої країни, і для України - зокрема. Використання МІТ може істотно підвищити конкурентоспроможність вітчизняної економіки та ефективність управління на всіх рівнях влади, поліпшити життя простих громадян. На щастя, останніми роками український сектор МІТ демонструє швидкі темпи зростання, проте, в галузі все ще є ряд проблем. Та, не зважаючи на це, загальноприйнято, що такий прогресивний процес потрібно стимулювати. Одним із способів подібної підтримки є створення спеціалізованих технопарків, що мають висококваліфіковані інженерні та наукові кадри, парк налагоджувальної та контрольно-вимірювальної техніки, направлених на обслуговування ринку інформаційних послуг, який починає сегментуватися між представниками різних напрямів комп'ютерного, телефонного і зв'язкового бізнесу.

Перспективи розвитку сучасних МІТ, ставлять нові завдання та проблеми їх ефективного і надійного функціонування з різних точок зору: ефективного використання частотного ресурсу, оптимальної потужності передавача, завадостійкої передачі повідомлень по лінійних каналах з параметрами, що випадково змінюються, розробці нових оптимальних сигналів для таких каналів, а також профілактичному обслуговуванню, вимірюванню і достовірній статистичній обробці отриманих характеристик каналів. При побудові таких систем зв'язку, при рішенні задач, пов'язаних з їх діагностикою і профілактичним обслуговуванням, а також зважаючи на специфіку їх роботи, виникає необхідність в спектральному оцінюванні коротких реалізацій вузькосмугових процесів в гаусовому шумі. Мала довжина відрізка реалізації процесу, де можуть бути дотримані умови стаціонарності в широкому сенсі, не дозволяють добитися необхідної точності по частоті при необхідному співвідношенні сигнал/шум. У багатьох випадках рішення проблеми можна досягти, використовуючи некласичні методи оцінювання спектральної щільності потужності досліджуваного сигналу. Відомі некласичні методи спектрального оцінювання дозволяють вирішити дане завдання, проте вимагають індивідуального підходу у виборі методів і порядку моделі.

У зв'язку з вищевикладеним, дослідження направлене на вибір методу достовірного спектрального оцінювання сигналу, а також на визначення оптимального порядку моделі каналу стосовно завдання достовірного виявлення діагностичних параметрів середовища розповсюдження і заданого вузькосмугового сигналу.

Рішенню проблем отримання достовірних результатів вимірювань в системах і мережах телекомунікацій, методам і способам їх обробки, отримання достовірних оцінок і виробленню на їх основі наукових і практичних рекомендацій по підвищенню ефективності роботи систем, розвитку теорії їх оптимізації, оптимізації профілактичного обслуговування присвячено велика кількість наукових і прикладних робіт як вітчизняних, так і зарубіжних учених. Серед достатньої кількості публікацій з вказаної тематики, основоположними роботами є праці Д. Кловського, Б. Льовіна і А. Колмогорова. У них освітлюються основні аспекти отримання достовірних оцінок вимірювань при обслуговуванні складних систем. Розвиток ідей отримання достовірних оцінок, методам, методикам і алгоритмам обробки результатів вимірювань, статистичного аналізу даних, а також - на цій основі - прогнозування технічного стану і працездатності залежно від аналізу параметрів, їх взаємовпливу, висвітлені в роботах Л. Фінка, В. Мудрова, В. Кушко, О. Вентцель, Л. Канторовича, Н. Северцева, Р. Судакова, Б. Литвака, І. Хацкевича, Л. Гуріна і зарубіжних учених - Ч. Сміта, П. Супеса, Дж. Зінес, Дж. Себера та ін. Необхідність продовження подібних досліджень очевидна, оскільки вона має пряме відношення до проблеми ефективної експлуатації телекомунікаційних радіомереж в реальному масштабі часу і в періоди профілактичного обслуговування без їх істотної і дорогої реконструкції, пов'язаної з впровадженням нового контрольно-вимірювального устаткування, що в даний час є актуальним питанням для багатьох регіонів.

Таким чином, у зв'язку з тим, що завдання отримання достовірних оцінок вимірювань в телекомунікаційних радіомережах, пов'язане з обробкою великих масивів даних, може розглядатися як багатокритерійне оптимізаційне завдання, яке дозволяє додатково враховувати багато важливих аспектів оцінювання невідомих параметрів, відсутність адекватного математичного апарату і розроблених методик, придатних для інженерного аналізу на ЕОМ результатів вимірювань параметрів складних пристроїв, тема дисертаційної роботи, присвячена розробці і дослідженню методів достовірного визначення характеристик радіоканалів з параметрами, що випадково змінюються, є актуальною.

Рішення перерахованих проблем визначило зміст пропонованої дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідної роботи «Методи підвищення завадостійкості адаптивних систем виявлення, які реалізовані на базі систолічних процесорів» (шифр «ІТАКА», ДР №0106U004769) виконаної в 2006/07 р.р. науково-дослідною лабораторією проблем військової науки і техніки у сухопутних військах Одеського ордена Леніна інституту сухопутних військ на підставі технічного завдання, затвердженого командувачем військами Південного оперативного командування 12.03.2006 р.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є виконання досліджень, направлених на розробку та дослідження методів отримання достовірних даних про окремі характеристики радіоканалів з параметрами, що випадково змінюються - функції розсіяння та функції спектру часових завмирань на окремих частотах - не з метою поліпшення якісних параметрів функціонування, а з метою вироблення ідеології самих методів отримання даних незалежно від того, яка при цьому забезпечується якість.

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

- виводяться розрахункові співвідношення для відображення інформаційного сигналу і його спектру на виході каналу з параметрами, що випадково змінюються, випробувального сигналу і його спектру на виході того ж каналу, які базуються на отриманих взаємозв'язаних функціях, що дає можливість комплексного оцінювання якості каналу;

- виводяться математичні співвідношення для розрахунку та аналізу синтезованих комплексних сигналів і комплексних огинаючих інформаційного сигналу, що дозволяє на їх основі сформувати сигнал на виході каналу, який має задані властивості, що приводить до підвищення точності оцінки вимірювань;

- досліджується аналітичний метод розрахунку спектру завмирань, і на його основі встановлюється, що при практичному застосуванні доцільно використовувати розроблений метод вимірювання з реєстрацією квадратурних складових інформаційного сигналу на відміну від використовуваних методів з реєстрацією огинаючої сигналу;

- синтезується складний сигнал для імпульсного зондування радіоканалу при профілактичних вимірюваннях, який володіє певною автокореляційною функцією і дозволяє проводити зондування, рівноцінне імпульсному зондуванню, але з незначним пік-фактором;

- розробляється модель каналу з кінцевим числом шляхів розповсюдження, яка дозволяє проводити аналіз рішення задач оптимального прийому сигналів, переданих по каналу з параметрами, що випадково змінюються;

- встановлюються і досліджуються умови, при яких з'являється можливість отримання максимально правдоподібних оцінок вимірювань в каналах з селективними завмираннями, включаючи оцінку огинаючої сигналу та оцінку фази.

Об'єктом досліджень є пристрої отримання параметрів та характеристик радіоканалів.

Предметом досліджень є показники та характеристики функціонування пристроїв та каналів інформаційних радіомереж та систем.

Методи досліджень, які використовувались в дисертаційній роботі, запозичені з теорії статистичної радіотехніки, теорії вимірювань в інформаційних радіосистемах та мережах, теорії радіоелектронних систем і комплексів, теорії моделювання складних систем, теорії випадкових процесів, а також методи апроксимації математичних функцій та математичне моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримано розрахункові співвідношення для відображення інформаційного сигналу і його спектру на виході каналу, які базуються на отриманих взаємозв'язаних функціях, а також співвідношення, що дозволяють розрахувати і проаналізувати комплексні огинаючі інформаційного сигналу;

- розроблено метод синтезу складного сигналу для імпульсного зондування радіоканалу, який має певну автокореляційну функцію і дозволяє проводити зондування, рівноцінне імпульсному зондуванню, але при цьому має незначний пік-фактор;

- синтезовано методику вимірювання імпульсної реакції короткохвильового каналу при використанні лінійного частотно-модульованого сигналу, що дозволяє отримати достовірні дані про стан каналу в реальному масштабі часу;

- встановлено методику визначення системної функції замість традиційно використовуваної при зондуванні каналу синтезованим складним сигналом і приведене його фізичне пояснення;

- розроблено модель каналу з кінцевим числом шляхів розповсюдження, яка служить для рішення задач оптимального прийому сигналів, переданих по каналу з параметрами, що випадково змінюються;

- сформульовано правило отримання достовірних оцінок на випадок різних моделей каналу: з частотно-селективними, часовими селективними і частотно-часовими селективними завмираннями.

Практична значимість отриманих результатів:

1. Розроблені алгоритми, методики та блок-схеми визначення окремих параметрів інформаційних радіосистем дозволяють встановити їх достовірні значення та адекватну відповідність між даними, отриманими засобами математичного моделювання зазначених систем та результатами вимірювань на їх реальних еквівалентах. Це надає можливість значно скоротити часові та матеріальні витрати на діагностування та профілактичне обслуговування інформаційних радіосистем.

2. Розроблений метод вимірювання з реєстрацією квадратурних складових інформаційного сигналу має переваги перед використовуваним методом з реєстрацією огинаючої сигналу. Це дозволяє точно встановити форму спектра амплітуд з точністю до параметра , а також форму спектра фаз з точністю до параметра по осі частот та з точністю до параметра - по осі фаз.

3. Синтезований складний сигнал для імпульсного зондування радіоканалу, який володіє певною автокореляційною функцією, дозволяє проводити зондування, рівноцінне імпульсному зондуванню, але має незначний пік-фактор.

4. Факт підтвердження справедливості гаусівської моделі каналу на основі аналізу експериментальних результатів за одновимірною статистикою окремих променів короткохвильового каналу, дає можливість значно спростити моделі радіоканалів, які використовуються при математичному моделюванні та в реальних умовах при проведенні контрольних та профілактичних вимірювань.

5. Результати дисертаційної роботи, впроваджені:

- в НДР «Методи підвищення завадостійкості адаптивних систем виявлення, які реалізовані на базі систолічних процесорів», виконаної в 2006/07 р.р. науково-дослідною лабораторією проблем військової науки і техніки у сухопутних військах Одеського ордена Леніна інституту сухопутних військ, а саме: розрахункові співвідношення для відображення інформаційного сигналу і його спектру на виході каналу з параметрами, що випадково змінюються, випробувального сигналу і його спектру на виході того ж каналу, які базуються на отриманих взаємозв'язаних функціях, що дало можливість проведення комплексної оцінки якості каналу, а також модель, що розроблена для дослідження радіоканалів з кінцевим числом шляхів розповсюдження, яка дозволила провести аналіз рішення задач оптимального прийому сигналів, переданих по каналу з параметрами, що випадково змінюються;

- в навчальному процесі Міжнародного гуманітарного університету в лекційних курсах та при проведені практичних занять для спеціальностей 0915 - «Комп'ютерні системи та мережі» та 1601 - «Інформаційна безпека»: задачі встановлення точних показників при вимірюваннях в радіоканалах; загальна методика та алгоритм підвищення точності вимірювань; методика та алгоритм діагностування радіоканалів комплексним сигналом; програмне забезпечення для обробки та аналізу масивів даних вимірювань.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення та результати, які отримані в дисертаційній роботі, доповідалися та обговорювалися на Міжнародній науково-практичній конференції «Обработка сигналов и негауссовских процессов» (2007 р., Черкаси, ЧДТУ); на Міжнародній науково-практичній конференції «Наукові дослідження - теорія та експеримент-2007» (2007 р., Полтава, а/я 1312); на науково-технічному семінарі «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (2007 р., Москва_Одеса, IEEE-РНТОРЕС ім. О.С.Попова); на III Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології COMINFO-2007» (2007 р., Ялта, ДУІКТ); на I та ІІ науково-практичних семінарах молодих науковців та студентства «Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології» (2006-2007 рр., Київ, УНДІЗ); на Міжвідомчому міжрегіональному семінарі Наукової Ради НАН України «Технічні засоби захисту інформації» (2006 р., Київ-Одеса, НАН України); на I та II Молодіжній науковій конференції «Сучасні інформаційні технології в повсякденній діяльності та підготовці фахівців» (2005-2006 рр., Одеса, ОНЮА); на I та II Щорічній конференції професорсько-викладацького складу та студентства Міжнародного гуманітарного університету (2006-2007 рр., Одеса, МГУО); на засіданнях науково-технічної секції «Загальносистемні питання зв'язку» (2005-2007 рр., Київ, УНДІЗ); на засіданнях міжкафедрального семінару факультету комп'ютерних наук та інноваційних технологій (2005-2008 рр., Одеса, МГУО).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається суть науково-практичної проблеми технологічних перетворень в області інформаційних радіосистем та засобів телекомунікацій і, відповідно, формулюються основні положення стосовно їх виробничих задач, профілактичного обслуговування та інших дій, які пов'язані з проведенням різного роду вимірювань та обробки результатів. Показується, що на сьогоднішній день зазначена проблема вирішується на основі комплексного підходу, який включає в себе одним зі складових пунктів, перехід від збільшення продуктивності складних технічних систем до підвищення точності (якості) їх функціонування та надійності. Такий підхід є основою для подальшого розвитку інформаційних радіомереж та систем, а також збільшення послуг телекомунікацій і визначає можливість реалізації завдань державної програми інформатизації. Показується, що одним з важливих завдань розвитку інформаційних радіомереж і систем є створення надійних і ефективних методів, методик та алгоритмів для достовірного встановлення окремих показників та параметрів функціонування обладнання, і на основі цього - показуються шляхи підвищення завадозахищеності в загалому. На основі аналізу літературних джерел, наводиться результат аналізу існуючих методів отримання достовірних оцінок вимірювань в складних технічних систем. Тут же обґрунтована актуальність роботи, необхідність проведення досліджень, сформульована мета роботи, показана наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, приведені відомості про апробацію роботи.

Перший розділ присвячений аналізу методів дослідження каналів з параметрами, що випадково змінюються, і носить, в основному, оглядовий характер. У ньому показується, що лінійні канали зі змінними параметрами доцільно описувати за допомогою імпульсної реакції. Встановлюється, що вона може бути визначена трьома різними способами, використання яких залежить від поставленої мети. Тут же показується, що паралельно з імпульсною реакцією доцільно використання трьох системних функцій - функції, що описує спектр реакції каналу на встановленій частоті на збудження вигляду ; передавальної функції, що є узагальненням поняття передавальної функції для лінійного каналу з постійними параметрами; функції, що описує спектр реакції каналу на дельта-імпульс, поданий в момент на тій же частоті. Показуються взаємні перетворення між вказаними системними функціями і на основі цього синтезуються вирази, що зв'язують комплексні сигнали, комплексні огинаючі та їх спектри на вході і виході каналу. Встановлюється, що визначення характеристик каналів з параметрами, що випадково змінюються, припускає вимірювання однієї або декількох з системних функцій і знаходження їх статистичних характеристик - спектрів потужності, кореляційних функцій і т.п. Цей висновок дає підставу для розробки і дослідження методів достовірного визначення характеристик радіоканалів з параметрами, що випадково змінюються, використовуючи в якості системних функцій базові.

У цьому ж розділі обґрунтовується і пояснюється, що метою дослідження є не поліпшення якісних параметрів функціонування системи, яка працює в умовах випадкової зміни параметрів радіоканалу, а дослідження методів достовірного визначення його характеристик незалежно від того, яке забезпечується якість. Виходячи з цього, при розгляді поставлених наукових завдань, з метою спрощення математичного апарату, впливом тих параметрів, що не є принциповими при проведенні досліджень, зокрема, де це можливо, впливом шуму в каналі, пропонується нехтувати. Тут же, для завдань вимірювань, мета яких полягає в отриманні оцінок миттєвих значень параметрів каналу, використовуваних в пристрої обробки приймача, пояснюється їх характер і особливості. Для підвищення точності оцінок параметрів каналу пропонується здійснювати складання оцінок, отриманих в різні інтервали спостереження, що представляється найбільш ефективним у разі передачі сигналів по каналах з частотно-селективними завмираннями. Наголошується, що при вимірюваннях можна замінити інтеграцію поточним усереднюванням з постійною часу. На підставі отриманих результатів встановлюється, що при будь-яких видах отримання оцінок про стан каналу доцільно використовувати метод вимірювання з реєстрацією квадратурних складових інформаційного сигналу на відміну від використовуваних методів з реєстрацією огинаючої сигналу. Показується простота методу вимірювань і наголошуються його недоліки: неможливість обчислення спектру завмирань, комплексної кореляційної функції завмираючого сигналу і визначення статистики процесу. Приводиться методика усунення вказаних недоліків.

Тут же, в першому розділі, розробляється методика визначення спектру завмирань, виходячи з відомих спектрів сигналів. При цьому показується, що форма спектру амплітуд може бути визначена точно, але положення кривої по осі частот визначиться лише з точністю до параметра . Форма спектру фаз також визначається точно, але її положення по осі частот буде відомо з точністю до того ж параметра, а по осі фаз - до параметра .

При розділенні регулярного і випадкового завмирань наголошується, що якщо є набір реалізацій процесу та є можливість вести усереднювання по ансамблю, то завдання розділення компонент розв'язується тривіально і його рішення описані в науковій літературі. Для випадків лише однієї реалізації процесу, пропонується методика розділення регулярного і випадкового завмирань з урахуванням особливостей середовища розповсюдження. Показується, що оскільки наявність регулярної складової пов'язана з появою в спектрі завмирань одного або декількох піків, то при ототожненні цих піків зі спектром регулярної складової, є можливість відновлення часових змін регулярної складової.

Приводиться методика визначення інтервалу стаціонарності процесу, що описує завмирання. Її характерною особливістю є те, що для визначення інтервалу необхідно визначити характер зміни енергетичного спектру завмирань в часі. Це реалізується розбиванням спостережуваного процесу на часові інтервали і обчисленням спектрів для отриманих інтервалів. Варіюванням тривалості інтервалів і встановленням допустимих меж часових змін спектру, знаходиться інтервал стаціонарності. В результаті, встановивши величину інтервалу стаціонарності, процес, що описує завмирання, характеризується двома статистиками - статистикою, що описує процес в інтервалі стаціонарності і статистикою, що характеризує різні інтервали стаціонарності.

Для оцінки і визначення спектральної щільності потужності завмирань час аналізу, визначуваний інтервалом стаціонарності, розбивається на множину рівних відрізків. На кожному відрізку обчислюється спектр згідно з отриманими формулами і знаходиться оцінка спектральної щільності потужності процесу, що описує завмирання. Результати моделювання ілюструються осцилограмами, які отримані при експериментальних дослідженнях.

Пояснюється складна картина отриманих спектрів і приводиться розрахована крива зміни в часі середнього доплерівського зрушення частоти, отримана в результаті обробки квадратурних компонент, записаних на короткій трасі експериментального каналу.

У другому розділі розробляються і досліджуються методи точного визначення характеристик радіоканалів з параметрами, що випадково змінюються. Для визначення імпульсної реакції на вхід каналу в момент подається дельта-імпульс. На виході каналу в момент спостерігається імпульсна реакція, що є деяким значенням випадкового процесу .

Якщо час багатопроменевих шляхів скінчений, то при . Через час на вхід каналу знову подається імпульс і спостерігається реакція в момент . Подаючи на вхід каналу послідовність імпульсів , отримали на виході каналу послідовність неперекритих в часі відгуків:

(1)

Функцію , де - миттєве значення імпульсної реакції в деякий момент часу . Тоді сигнал (1) стали розглядати як послідовність миттєвих значень імпульсної реакції каналу. Кожне миттєве значення було перетином функції . Видно, що послідовність миттєвих значень містить повну інформацію про функцію , якщо період зондування визначається, як

, (2)

де B - ширина спектру завмирань. Враховуючи, що , умову (2) переписали у вигляді:

(3)

Множник в літературі називають чинником розсіяння. Там же відмічено, що якщо умова (3) не виконується, то вимірювання буде неоднозначним. Це пов'язано з тим, що частота вибірок функції по осі буде недостатня для однозначного визначення цієї функції. З іншого боку, підвищити частоту вибірок не можна, оскільки відгуки у формулі (1), що описують миттєві значення функції , виявляться перекритими.

Внаслідок наявності в каналі перешкод для імпульсного зондування виникає необхідність використання передавачів з високою піковою потужністю, інакше точність виділення імпульсного відгуку в перешкодах буде мала. Вимоги до пікової потужності передавача можна зменшити, якщо використовувати складні сигнали. На підставі цього сформулювали суть методу на вхід каналу подали періодичний сигнал вигляду

(4)



На виході каналу з імпульсною реакцією отримали

,

де - процес, що описує шум. Визначили взаємокореляційну функцію прийнятого сигналу і сигналу та отримали сигнал, в якому корисну складову визначили, використовуючи формулу:

(5)

Для випадку, якщо автокореляційна функція зондуючого сигналу має вигляд:

,(6)

вираз (5) приймає вид:

.(7)

Таким чином, при виконанні умови (6) зондування з використанням сигналу (4) рівноцінно імпульсному зондуванню. Сигнал (4), на відміну від імпульсного сигналу, має невеликий пік-фактор. Отже, як зондуючі сигнали, що достатньо точно задовольняють умові (6), можна, зокрема, використовувати сигнали з лінійною частотною модуляцією, та сигнали з фазовою маніпуляцією, утворені відповідно до двійкової -послідовності.

Для розглянутого випадку зондування складним сигналом при експериментальних дослідженнях взаємокореляційний приймач був виконаний як узгоджений фільтр і як корелятор. У другому випадку використовувався багатоканальний корелятор і здійснювався паралельний аналіз, а також одноканальний корелятор і послідовний аналіз. Проміжні рішення у вигляді комбінації послідовно-паралельного аналізу не досліджувалися.

Умова (6) припускає, що спектр зондуючого сигналу необмежений. Проте практично обмеження спектру завжди має місце, що підтверджено практикою. В цьому випадку сигнал мав кінцеву роздільну здатність за часом, рівну , де F - ширина спектру, яка визначала точність (у сенсі визначення окремих компонент) вимірювання відгуку каналу.

Для випадку зондування каналу зі змінними параметрами сигналом (4) на виході каналу отримали сигнал

,

і після взаємокореляційного приймача корисна складова прийняла вигляд:

.(8)

Встановлено, що вимірювання імпульсної реакції даним методом можна проводити тільки тоді, коли функція по змінній t не змінюється за час T. При виконанні цієї умови і вимоги (6) вираз (8) приводиться до виразу, рівноцінного (7).

Таким чином, встановлено, що зондування каналу зі змінними параметрами складним сигналом з метою вимірювання імпульсної реакції каналу, можливе лише при повільній зміні параметрів каналу в порівнянні з періодом зондуючого сигналу. Обмеження на величину множника BL тут ще більше, ніж при імпульсному зондуванні. Нарешті, це обмеження ще сильніше зросте, якщо при взаємокореляційній обробці використовувати корелятор з послідовним аналізом.

Імпульсна реакція реального каналу є вузькосмуговим сигналом. Вона може бути записана у вигляді:

,(9)

де: - огинаюча, - миттєва фаза відгуку.

З літературних джерел було встановлено, що вимірювання імпульсної реакції каналу краще всього вести шляхом виділення квадратурних складових сигналу (9).

Для цього сигнал (9) був оброблений по схемі, яка приведена в дисертаційній роботі. У одному плечі цієї схеми після множення сигналу (9) на опорну частоту і фільтрації за допомогою НЧ-фільтра, який подавляв продукти перемножування в області частоти , був виділений сигнал

.

Схожим чином в другому плечі виділявся сигнал

.



Функції і були початковими при подальшій статистичній обробці результатів вимірювання. Встановлено, що для випадку дослідження тільки статистики огинаючої часових завмирань імпульсної реакції каналу, сигнал (9) досить пропустити через детектор і вузькосмуговий фільтр. Визначили спектри сигналів та :

,

,

.

Потім на підставі відомих формул, отриманих з літературних джерел і приведених в першому розділі роботи, визначили спектр амплітуд і спектр фаз завмирань на шляху розповсюдження з часовим зрушенням, рівним . Отримали:

,

,

,

.

Т.ч. встановили, що спектри визначаються з точністю до розбіжності частот і початкових фаз сигналу, що приймається, та опорного генератора. Двовимірний спектр, підрахований по приведених формулах, містить повну інформацію про канал і є комплексною функцією , визначеною з точністю до параметрів і .

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений дослідженню особливостей статистичної обробки результатів вимірювання імпульсної реакції каналу. У ньому показується, що для статистичної обробки результатів вимірювань доцільним є використання тієї ж моделі, яка приведена в першому розділі, хоча обсяг обробки в цьому випадку збільшується, проте принципових труднощів стає менше. При цьому полегшується завдання розділення регулярного і випадкового часових завмирань. Пояснюються чинники, які впливають на рішення задачі.

Розглядається актуальність вивчення необхідності використання одновимірної статистики окремих променів, оскільки це може пояснити причини відмінності експериментально отриманих розподілів огинаючої при зондуванні каналу моночастотним сигналом від розподілів Релея та Раїса. Як висновок приводяться положення про те, що якщо статистика окремих променів або магнітоїдних компонент є гаусівською, то обґрунтованість гаусівської моделі каналу сумнівів не викликає. Цей факт доводиться на основі аналізу експериментальних результатів.

Аналіз кореляційних функцій завмирань окремих променів проводиться на основі приведеної кореляційної функції завмирань окремого променя з часовим зрушенням. Представлений математичний апарат аналізу. Він полягає в наступному:

Кореляційна функція завмирань окремого променя з часовим зрушенням представляється у вигляді:

,



де - огинаюча, а , - квадратурні складові кореляційної функції і, таким чином,

,

,

.

В табл. 1 по отриманих формулах приведені деякі розраховані значення квадратурних компонент та огинаючої кореляційної функції завмирань першого і другого променів, а на мал. 4 - їх спектри завмирань. Результати аналітичних розрахунків з великою часткою достовірності співпадають з експериментальними даними, приведеними у вигляді графіка.

З метою вивчення особливостей вимірювання передавальної функції каналу синтезований багаточастотний сигнал . На його основі в роботі приводиться методика вивчення особливостей вимірювання передавальної функції, яка полягає в наступному:

Для визначення передавальної функції канал зондується синтезованим багаточастотним сигналом. Величина частотного зрушення визначається часом проходження багатопроменевих шляхів оскільки передавальну функцію каналу з кінцевим часом багатопроменевих шляхів можна повністю визначити відліками по осі частот взятими через на підставі теореми Котельникова. Отже, . В результаті проходження сигналу по каналу зв'язку, він прийме вигляд



.(10)

Виділення вимірюваних функцій здійснюється за допомогою багатоканального пристрою. В k-му каналі () багатоканального пристрою проводиться перемноження сигналу (10) на опорний сигнал і здійснюється фільтрація результату перемножування низькочастотним фільтром зі смугою, яка дорівнює ширині спектру завмирань B. Однозначне вимірювання можливо, якщо інтервал між сусідніми частотами відповідає . Інакше складові спектру перемножених сигналів в каналі потраплять у фільтр -го каналу (і навпаки), і однозначність вимірювання порушиться. Таким чином, умова співпадає з умовою і накладає принципове обмеження на можливість однозначного вимірювання імпульсної реакції або передавальної функції каналу.

У разі дослідження каналу без регулярної складової досить обмежитися вимірюванням кореляційної функції передавальної функції. Таке вимірювання можна здійснити, спочатку змірявши функцію , а потім, після статистичної обробки, визначивши кореляційну функцію

в інтервалі стаціонарності процесу . Якщо інтервал стаціонарності достатньо великий, можна вести вимірювання кореляційної функції послідовним методом, зондуючи канал сигналом вигляду .

Далі, ведучи обробку згідно схеми, визначили значення функції кореляції як значення амплітуди і фази сигналу різницевої

.

Змінюючи значення параметрів і , визначили функцію кореляції в області значень і , яка нас цікавила.

З метою визначення спектру реакції каналу на деякій частоті на дельта-імпульс, поданий в момент , запропонована методика, що ґрунтується на подачі сигналу на корелятор з опорним сигналом певного вигляду. Наявність шуму, як було сказано раніше, виключалася. Роль флуктуаційного шуму було зведено до появи рівномірного шумового фону, який, як встановлено, маскує результати вимірювання. Враховуючи неминучі обмеження на характер функції невизначеності зондуючого сигналу, констатовано, що дельта-подібна функція невизначеності може бути отримана при виконанні деякої умови, яка сформульована в роботі. Ця умова співпадає з раніше отриманим виразом використання складного сигналу для визначення імпульсної реакції каналу. При цьому наголошується, що вона є слабкішою і ця обставина визначає принципову гідність вимірювання запропонованої функції замість традиційно використовуваної при зондуванні каналів складними сигналами.

Крім того, в третьому розділі на підставі міркувань, аналогічних вище викладеним, виводяться математичні співвідношення для обчислення інших системних функцій - функції розсіяння, спектру реакції каналу на встановленій частоті на збудження певного вигляду і передавальної функції, що є узагальненням поняття передавальної функції для лінійного каналу з постійними параметрами.

Для аналізу завдання оптимального прийому сигналів, переданих по каналу з параметрами, що випадково змінюються, в четвертому розділі розроблена модель каналу з кінцевим числом шляхів розповсюдження. Як критерій оптимальності був вибраний критерій мінімуму середньої ймовірності помилки, найбільш часто використовуваний при розгляді питань прийому дискретних повідомлень. Для вибраного випадку моделі каналу з кінцевим числом шляхів розповсюдження сигнал на вході приймального пристрою представлявся як

,

де N - число шляхів розповсюдження, k - значення передаваного символу , n(t) - адитивний шум, що діє в каналі. При N=1 має місце передача по каналу із загальними завмираннями. В тому випадку, якщо N>1, у каналі діють селективні завмирання, опис і характеристика яких приведені в роботі.

При аналізі поклали, що коефіцієнти _i є гаусівськими випадковими величинами, а процес - гаусівським випадковим процесом. Вважали, що математичні очікування , кореляційні матриці



коефіцієнтів , кореляційні матриці

сигналів , а також кореляційна функція є відомими. У роботі представлений оптимальний приймач, який забезпечує якнайкращий прийом відповідно до прийнятих критеріїв оптимальності. Він складається з пристрою оптимальної обробки і вирішальної схеми. Відповідно до алгоритму роботи приймача, на виході каналу сигнал представлений у вигляді:

.(11)

Мета аналізу - знаходження максимально правдоподібних оцінок параметрів . Вважали, що процес є гаусівським процесом з рівномірним спектром. Функція правдоподібності прийняла вигляд:

,

В цьому випадку максимально правдоподібними оцінками , будуть значення коефіцієнтів , , при яких член, що стоїть в показнику експоненти, буде мінімальним. Отже, ці оцінки можна знайти з умов:



,

,

де . У випадку, якщо зондуючий сигнал має хороші кореляційні властивості, тобто при оцінка буде

.

Звідси витікає, що оцінка огинає приймає вигляд:

,

а оцінка фази:

.

Для випадку, коли кореляційні властивості зондуючого сигналу неідеальні, матриця



буде відмінна від діагональної. Для цього випадку ввели унітарне перетворення. Для цього матрицю склали з власних векторів відомої ермітової матриці . Формула (11) прийняла вигляд:

,

.

Тепер сигнали мають хороші кореляційні властивості, тому оцінку знайшли так само, як це робилося вище:

.

Від оцінок перейшли до оцінок :

.

Таким чином, для отримання оцінок параметрів каналу по методу максимальної правдоподібності у разі використання зондуючого сигналу з хорошими кореляційними властивостями слід здійснювати взаємокореляційний прийом. При неідеальних кореляційних властивостях зондуючого сигналу ця обробка доповнюється послідовним двократним підсумовуванням з вагою сигналів після взаємокореляторів.

Далі конкретизували правило отримання оцінок на випадок різних моделей каналу: з частотно-селективними, часовими селективними і частотно-часовими селективними завмираннями, вважаючи, що

;

відповідно. Для цього припустили, що сигнал має хороші кореляційні властивості. Тоді

.

Параметр визначає відхилення дійсного значення вимірюваного параметра , від оцінки . Видно, що - гаусівська випадкова величина, причому

.

Точність оцінки параметра зростає із зменшенням величини , тобто зі збільшенням енергії зондуючого сигналу і зменшенням спектральної щільності потужності .

При розробці системи передачі, що використовує оцінки параметрів каналу, аналізувалося завдання поєднання процесів вимірювання параметрів каналу і прийому повідомлень. Це завдання вирішене шляхом введення для мети вимірювання спеціального тест-сигналу. В роботі приводяться блок-схеми обробки сигналу на передачі і прийомі. Там же наголошено, що завдання вимірювання параметрів каналу в процесі прийому повідомлень можна вирішувати без допомоги тест-сигналу. Його роль в цьому випадку виконують сигнали, використовувані для передачі інформації. Вказується, що дану процедуру реалізувати достатньо складно, тому пояснюється, що раціональніше використовувати простіші, хоча і неоптимальні методи вимірювання. Аналізується один з таких методів, який полягає у використанні зворотного зв'язку по рішенню. При введенні зворотного зв'язку по рішенню наголошується необхідність фазування сигналу з виходу вирішальної схеми і відповідної оцінки. Для цього пропонується просте введення затримки в тракт вимірювання.

Удосконалення складання оцінок пропонується здійснити або за допомогою рециркулятора, якщо мають місце частотно-селективні завмирання, або при часових і селективних завмираннях - з використанням лінії затримки з відводами в які включені ваги, вибрані згідно розглянутим раніше рекомендаціям.

Для випадку, коли здійснюється передача з використанням ортогональних сигналів з хорошими кореляційними властивостями рекомендується простий метод вимірювання, коли підсумовуються сигнали з виходів кореляторів або фільтрів, узгоджених з сигналами. При цьому отримані оцінки, які не залежать від індексу корисного сигналу. Наголошується, що відношення сигнал/шум при цьому згрішилося в два рази.

Аналіз впливу точності вимірювання параметрів каналу на завадостійкість прийому (як основоположна мета) містив тезу про те, що необхідно зв'язати середню ймовірність помилки при прийомі з точністю оцінки. В результаті встановлено, що слід керуватися простою наближеною рекомендацією - при вимірюванні необхідно прагнути до того, щоб середнє відношення сигнал/шум по потужності в тракті вимірювання було б приблизно вдесятеро більше, ніж в тракті прийому.

У четвертому розділі також проводиться аналіз завадостійкості прийому, що використовує оцінки параметрів каналу за наявності швидких часових селективних завмирань. Показується, що ефективність такого методу прийому істотно залежить від швидкості завмирань, оскільки при повільних завмираннях існує можливість підвищувати точність оцінок параметрів каналу, підсумовуючи (з вагою) оцінки в різних інтервалах спостереження.

Розглядається аналіз та рішення задачі лінійної фільтрації за наявності міжсимвольної інтерференції. Наголошується, що при рішенні подібних задач звичайно припускають, що імпульсна реакція каналу в процесі прийому вже зміряна і результати вимірювання використовуються при синтезі оптимального фільтру. Але в реальних умовах прийому вимірювання імпульсного відгуку каналу здійснюється за наявності шуму. Для таких випадків рекомендується використовувати один з раніше викладених методів вимірювання. При цьому пропонується поставлену задачу вирішувати за допомогою методу статистичних випробувань з використанням ЕОМ.

Аналіз графіків показав, що вимоги до точності вимірювання при фільтрації в умовах завмирань вельми високі, особливо при щодо великої пам'яті фільтру.



ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішені окремі задачі отримання достовірних результатів при вимірюванні та оцінці параметрів в інформаційних радіомережах, а саме: створені математичні моделі, алгоритми та методики процедури встановлення достовірних показників вимірювань та статистичної обробки результатів та на цій основі розроблені методи підвищення достовірності. В рамках роботи отримані наступні результати:

- виведені співвідношення для відображення інформаційного та випробувального сигналів та спектрів на виході каналу з параметрами, що випадково змінюються, які базуються на отриманих взаємозв'язаних функціях, що дає можливість комплексного оцінювання якості каналу;

- виведені математичні співвідношення для розрахунку та аналізу синтезованих комплексних сигналів та комплексних огинаючих інформаційного сигналу, які дозволяють сформувати сигнал на виході каналу, який має задані властивості, що приводить до підвищення точності оцінки вимірювань;

- розроблено метод дослідження спектру завмирань з реєстрацією квадратурних складових інформаційного сигналу і встановлена доцільність його практичного застосування з зазначенням його переваг перед методами з реєстрацією огинаючої сигналу;

- синтезовано складний сигнал для імпульсного зондування радіоканалу при профілактичних вимірюваннях, який володіє певною автокореляційною функцією і дозволяє проводити зондування, рівноцінне імпульсному зондуванню, але з незначним пік-фактором;

- розроблена модель каналу з кінцевим числом шляхів розповсюдження, яка дозволяє проводити аналіз рішення задач оптимального прийому сигналів, переданих по каналу з параметрами, що випадково змінюються;

- встановлені та досліджені умови, при яких отримана можливість встановлення максимально правдоподібних оцінок вимірювань в радіоканалах, включаючи оцінку огинаючої та оцінку фази сигналу.



СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Билык Н.М. Определение статистических характеристик процесса, описывающего замирания // Збірник наукових праць ІПМЕ. - Вип. 42. - Львів: Львівська політехніка, 2007. - С.61_67.

Скопа А.А., Билык Н.М. Анализ методов исследования замираний // Радиотехника. Всеукр. межвед. наук.-техн. сборник. - 2007. - Вип. 151. - С. 177-180.

Білик Н.М. Модель радіоканалу зі скінченним числом шляхів розповсюдження сигналу // Збірник наукових праць військового інституту Київського національного університету ім. Т. Шевченка. - 2007. - Вип. № 8. - С. 10-15.

Скопа А.А., Билык Н.М. Анализ влияния точности измерения параметров радиоканала на помехоустойчивость приема // Наукові записки УНДІЗ. - №1. - Київ: УНДІЗ, 2007. - С.79-85.

Зіменко В.А., Білик Н.М. Використання алгоритму мінімальної середньоквадратичної помилки при адаптивній фільтрації // Наук. записки Міжнар. гуманіт. ун-ту. - Вип. 3. - Одеса: МГУ, 2005. - С.95_98.

Билык Н.М. Модель радиоканала с конечным числом путей распространения сигнала // Тези доповідей ІІІ Міжнар. наук.-практ. конф. «Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє», 11-13 жовтня 2007 р., Київ: КНУ ім. Т.Шевченка, 2007. - С.26-28.

Билык Н.М. Определение корреляционной функции процесса, описывающего замирания // Под ред. В.В. Шахгильдяна / Матер. науч.-техн. семин. «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», 1-4 июня 2007 г., Москва_Одесса: IEEE-РНТОРЭС им. А.С. Попова, 2007. - С.165-167.

Білик Н.М. Виявлення та обробка неврахованих помилок вимірювань електричних параметрів за допомогою математичної моделі // Матер. III Міжнар. наук.-практ. конф. «Наукові дослідження - теорія та експеримент-2007», 14-16 травня 2007 р., Полтава: Інтер_Графіка, 2007. Т.7. - С.10-14.

Билык Н.М. Результаты натурных исследований структуры огибающей импульсного отклика канала на трассе малой протяженности // Наук. праці Міжнар. наук.-практ. конф. «Обработка сигналов и негауссовских процессов», 21-26 травня 2007 г., Черкаси: ЧДТУ, 2007. - С.133-135.

Білик Н.М., Нікіфоренко К.Б. Роль математичної моделі при обробці вимірювань // Матер. наук.-практ. семін. молодих науковців та студентства «Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології», 25_26 грудня 2006 р., Київ: УНДІЗ, 2006. - С.11-16.

Білик Н.М. Використання математичних моделей при обробці вимірювань // Матер. II звітної наук.-практ. конф. проф.-викл. складу та студентства Міжнар. гуманіт. ун-ту, 12 квітня 2007 р., Одеса: Міжнар. гуманіт. ун-т, 2007. С.105-109.

Скопа А.А., Казакова Н.Ф., Билык Н.М. Нахождение -нижней границы для показателя надежности системы из m последовательно соединенных элементов по результатам их автономных биноминальных испытаний // Матер. III Міжнар. наук.-техн. конф. «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології COMINFO-2007», 24_28 вересня 2007 р., Ялта: ДУІКТ, 2007. - С.99-105.

Білик Н.М. Тенденції розвитку інформаційно-комунікаційних технологій в Україні // Матер. IІ молод. наук. конф. «Сучасні інформаційні технології в повсякденній діяльності та підготовці фахівців», 31 березня 2006 р., Одеса: ОНЮА, 2006. С.20-23.

Білик Н.М. Введення в проблему інформатизації // Матер. I щорічної конф. проф.-викл. складу та студентства Міжнар. гуманіт. ун-ту, 14-15 квітня 2006 р., Одеса: Міжнар. гуманіт. ун-т, 2006. С.12-13.

Білик Н.М., Чунаєв А.В. Аналіз відмінностей одномірної статистики обвідної спектру сигналу від розподілів Релея та Раїса / Матер. II наук.-практ. семін. молодих науковців та студентства «Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології», 12-14 грудня 2007 р., Київ: УНДІЗ, 2007.

Скопа А.А., Билык Н.М. Повышение помехоустойчивости приема радиосигналов на основе анализа точности измерения их параметров / Матер. II наук.-практ. семін. молодих науковців та студентства «Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології», 12-14 грудня 2007 р., Київ: УНДІЗ, 2007.

Білик Н.М. Питання інформаційної безпеки при організації дистанційного доступу до інформаційних ресурсів // Матер. міжвідомч. міжрегіон. семінару Наук. Ради НАН України «Технічні засоби захисту інформації», 15 лютого 2006 р., Київ-Одеса: НАН України, 2006. - С.11.

Размещено на Allbest.ru