Разработка и исследование алгоритмов оценивания временных и энергетических параметров сигнала в диспергирующем канале

Развитие информационного общества требует передавать всё большие объёмы информации. Повышение скорости передачи информации, без перехода в другой частотный диапазон, практически приводит к межсимвольной интерференции на приёме. При этом увеличение скорости передачи сообщения желательно достигать не только увеличением канальной скорости, но и увеличением информационной. Поэтому сейчас преимущественно развиваются методы приёма информации в каналах с МСИ без использования специальных тест-сигналов.

В настоящее время многие системы связи, учитывая многолучевое распространение сигнала в канале связи, вводят специальные элементы, тест-сигнал, который позволяет с использованием известной периодически повторяемой последовательности обеспечить приём информации. Другой подход обеспечения приёма информации в канале с многолучёвостью заключается в увеличение длительности тактового интервала, а передача заданного объёма информации в требуемый интервал времени обеспечивается передачей информации на нескольких частотах.

В диссертации предполагается организация системы передачи информации без использования тест-сигналов. В данной работе представляются: алгоритм тактовой синхронизации, инвариантный к виду модуляции и многолучёвостиалгоритм оценки дисперсии мощности шума, инвариантный к виду модуляции и многолучёвости;

— алгоритм обнаружения сигналов, инвариантный к многолучёвости, модулированных на передающей стороне симметрично ориентированными сигналами различной позиционности;

— алгоритм совместного обнаружения, тактовой синхронизации и оценивания мощности шума инвариантный к виду многолучёвости и ориентированные на приём сигналов, модулированных на передающей стороне симметрично ориентированными сигналами различной позиционности.

Задачи приёма сигналов в условиях интенсивных помех и многолучёвости в настоящее время возникают практически во всех системах радиосвязи. Выделим некоторые из них, в которых, по мнению автора, было бы эффективно применение разработанных алгоритмов.

Средства космической связи.

При приёме сигналов с низкоорбитальных космических аппаратов принимаемый сигнал настолько мал (сигнал ослабляется в процессе передачи за счёт большого расстояния порядка 350. 1500 км, которое он проходит от космического аппарата на Землю), что по уровню мощности соизмерим со случайными помехами, вызванными, например, внеполосным излучением рядом расположенных радиоэлектронных средств (РЭС). С целью минимизации затрат на получение информации с космического аппарата (КА), наземный пункт приёма информации (НППИ) устанавливают в городах, рядом с организациями, осуществляющими обработку информации с КА. Это ухудшает качество приёма информации при низких углах места, поэтому часто используется ограничение по углу места от 10° до 90° (хотя при использовании специализированных алгоритмов приёма возможен приём и при более низких углах) [13, 14]. В настоящее время на пунктах приёма информации с космических аппаратов для задач автосопровождения сигнала применяется технология, в которой не анализируется структура принимаемого сигнала, а анализируется только энергетическое соотношение.

Характерными особенностями системы передачи информации с низкоорбитального КА на НППИ являются высокая скорость передачи и значительная длительность между синхропосылками, например, для КА «Ресурс-ДК1» длительность составляет порядка 1 000 000 тактовых интервалов.

Учитывая задачи приёма сигналов с КА на НППИ при низких углах места, и исходя из особенностей построения с КА на НППИ, методы оценивания параметров сигналов представляемые в диссертации могут эффективно применяться при создании входных блоков приёмного устройства.

Средства связи с маневрирующими носителями (беспилотные самолёты, вертолёты).

Сейчас всё чаще применяются беспилотные летательные средства, на которых устанавливается оборудование для дистанционного зондирования Земли и передачи информации. С целью экономии массы и энергетических затрат, а также с целью оперативной доставки информации часто осуществляется непосредственный сброс информации на пункты приёма без записи на борту носителя.

Для таких систем связи необходим экспресс анализ: быстрое обнаружение, сопровождение и приём достаточно больших потоков информации в каналах с многолучевым распространением сигнала. Описываемые в диссертации методы оценки параметров сигналов использоваться для обеспечения связи в этих условиях.

Учитывая бурный рост развития геоинформационных технологий, а вместе с ним применения систем связи, устанавливаемых на маневрирующих объектах, а также с учётом роста рынка информационной продукции, организуемой с помощью этих средств можно утверждать что, тема диссертации является актуальной.

Состояние вопроса.

Вопрос обеспечения тактовой синхронизации в системах связи освещён в книгах по теории связи. Основой для синтеза устройств тактовой синхронизации для каналов с МСИ являются два подхода, которые исходят из методов передачи сигнала:

1. системы передачи информации с заданной скоростью на разнесенных по частоте несущих (сигналы с малой базой) на тактовых интервалах, существенно превышающих время рассеяния в канале (параллельные системы). В этом направлении следует отметить работы Р. Мозье, Р. Клабо [75], Л. М. Финка [57], Ю. Б. Окунева [40], и др.;

2. системы передачи с оценкой текущего состояния канала и оптимальной (субоптимальной) демодуляцией сигнала. В этом направлении следует отметить труды Д. Д. Кловского [22−25], Б. И. Николаева [24, 38], В. А. Сойфера [23], В. Г. Карташевского [20], Ю. В. Алышева [2], Е. О. Хабарова [59], Полищук Ю. М. [41], Е. Ф. Камнева [43], A.A. Журавлёва [15], К. Абенда Д. Ф. Фритчмана [1], Ю. С. Шинакова, А. П. Трифонова [55], Г. Д. Форни [58, 73], А. Витерби [8] и др.

Для первого направления необходимо отметить работы В. В. Гинзбурга, A.A. Каяцкаса [10], E.H. Маслова [36], Дж. Дж. Стифлера [52], Ю. Ф. Пелегова [42], X. Луи, У. А. Тюрели [74], С. Барбаросса [71] в которых рассматриваются вопросы построения системы тактовой синхронизации многочастотного модема, ориентированной на использование анализатором тактовой синхронизации непосредственного самого рабочего сигнала.

Для второго направления необходимо отметить работы, посвященные оцениванию параметров принимаемого многолучевого сигнала (идентификации канала): В. Г. Карташевского [20], Б. И. Николаева [38], Ю. Г. Сосулина [47], A.M. Чингаевой [68], А. В. Борисенкова [3] в которых представлены методы и алгоритмы оценивания параметров принимаемого многолучевого сигнала по специальным тест-сигналам, которые параллельно используются как синхропосылки. Основная идея построения таких систем синхронизации состоит в совместном обеспечении тактовой и цикловой синхронизации.

В настоящее время всё чаще появляются алгоритмы и методы самовосстановления сигналов («слепой» обработки) в системах радиосвязи, не использующие тестовые последовательности. В этом направлении необходимо отметить работы О. В. Горячкин [11], Дж. Прокиса [44], Абед-Мераим К, Хуа В [69] и др. Данные методы могут найти применение в системах цифровой коротковолновой связи, сетях и системах мобильной связи, цифровом телевидении, системах радиоразведки, несанкционированного доступа, радиоконтроля цифровых систем передачи информации.

Для обеспечения приёма информации необходимо не только идентифицировать канал, но до этого обеспечить первичную информацию о принимаемом сигнале, а именно обнаружение сигнала в канале, тактовую синхронизацию. Методам определения параметров сигнала для канала с межсимвольной интерференцией по самому информационному сигналу посвящается тема настоящей диссертации.

Используемые методы исследования.

В работе используются методы статистической радиотехники, теории оценивания и оптимизации, статистического имитационного моделирования.

Диссертационная работа состоит из четырёх глав.

В главе 1 описана математическая и представлена физическая модель канала связи с многолучевым распространением радиоволн. Представлены распределения вероятностей для каналов космической связи и каналов связи, используемых для передачи информации с маневрирующих носителей.

В главе 2 проведён анализ алгоритмов определения границ тактовых интервалов для каналов без многолучёвости и выделены основные идеи синтеза таких алгоритмов. Проведён ' синтез и анализ алгоритма тактовой синхронизации, инвариантного к виду модуляции и многолучёвости для каналов с селективными замираниями. Проведён расчёт временных затрат на вынесение решения устройством тактовой синхронизации построенного по синтезированному алгоритму. Проведено статистическое имитационное моделирование разработанного алгоритма тактовой синхронизации.

В главе 3 предложена схема обнаружения полезного сигнала с космического аппарата (КА) на фоне мешающего индустриального воздействия со стороны города на пункт приёма информации с КА. Проведён синтез и анализ алгоритма обнаружения сигнала без многлучёвости, основанный на определении выборочного эксцесса распределения. Для получения рабочих характеристик этого алгоритма проведено статистическое имитационное моделирование. Проведён синтез и анализ алгоритма обнаружения сигнала, инвариантного к виду многолучёвости. Проведено статистическое имитационное моделирование этого алгоритма. Предложен алгоритм ускоренного обнаружения сигнала с использованием симммётрично ориентированных фрагментов сигнала. Проведен анализ временной задержки в принятии решения для этого алгоритма. Проведён синтез алгоритма оценивания дисперсии канального шума, основанного на использовании совпадающих разнесённых во времени фрагментов сигнала, инвариантного к виду модуляции и многолучёвости, проведено статистическое имитационное моделирование этого алгоритма.

В главе 4 представлен алгоритм и схема совместного обнаружения сигнала, определения границ тактовых интервалов, оценивания дисперсии канального шума. Синтезирован алгоритм тактовой синхронизации, основанный на поиске пар совпадающих и зеркально отображённых фрагментов сигнала. Для синтезированного алгоритма было проведено моделирование. Проведено сравнение полученного алгоритма и алгоритма главы 2. Оценена возможность применения разработанных алгоритмов для каналов космической связи.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработан метод оценивания временных и энергетических параметров принимаемого многолучевого сигнала, основой которого служит анализ разнесённых во времени фрагментов принимаемого многолучевого сигнала, позволяющий оценивать параметры сигнала по его информационной части.

2. Разработан алгоритм совместного обнаружения сигнала, оценивания дисперсии канального шума и оценивания границ тактовых интервалов, базирующийся на анализе разнесённых во времени фрагментов сигнала.

3. Исследованы характеристики качества разработанных алгоритмов.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Разработанные алгоритмы тактовой синхронизации в каналах с МСИ без использования тест-сигнала, инвариантные к многолучёвости и виду модуляции, основанные на поиске разнесённых во времени подобных частей принимаемого сигнала, обладают быстродействием и работоспособны при низком отношении сигнал/шум.

2. Разработанный алгоритм совместного обнаружения сигнала, оценивания дисперсии канального шума и определения границ тактовых интервалов для конкретных видов модуляции позволяет существенно упростить входные блоки приёмного устройства за счёт использования для оценивания параметров сигнала общих результатов промежуточных вычислений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод оценивания параметров принимаемого многолучевого сигнала, основанный на анализе разнесённых во времени фрагментов принимаемого многолучевого сигнала.

2. Алгоритм тактовой синхронизации, инвариантный к виду модуляции и многолучёвости, основанный на поиске повторяющихся частей принимаемого многолучевого сигнала.

3. Алгоритм совместного обнаружения сигнала, оценивания дисперсии канального шума и оценки границ тактовых интервалов, основанный на сравнении разнесённых во времени частей принимаемого многолучевого сигнала.

4. Анализ характеристик надёжности, помехоустойчивости и быстродействия, полученных средствами статистического имитационного моделирования.

Апробация работы и публикации Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались на XIV, XVI Всероссийских конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУТИ (Самара, 2007, 2009), на Научно-технической конференции молодёжи ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» «Инновационные разработки — основа созданий мирового лидирующего продукта в ракетно-космической отрасли» (Самара, 2007), на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» (Самара, 2009), Научно-технической конференции молодых учёных «ИСС 2008» (Железногорск, 2008), IV, V, VI Научно-технических конференциях «Системы дистанционного зондирования Земли» (Адлер-Москва, 2007, 2008, 2009), на IX и X Международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, Казань, 2006 и 2008), на IX и X Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2007, 2009), IX Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Челябинск, 2010).

По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 16 печатных трудов.

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 публикациях в форме тезисов докладов, 2 публикациях в форме полных докладов, 3 статьях из перечня ВАК рекомендуемых для защиты докторских и кандидатских диссертаций.

Выводы:

1. В данной главе представлена схема работы устройства совместного обнаружения сигнала, тактовой синхронизации и оценивания мощности шума. В основе алгоритмов лежит поиск разнесённых во времени фрагментов сигнала.

2. В представленном материале был синтезирован алгоритм тактовой синхронизации, основанный на поиске пар совпадающих фрагментов сигнала и пар фрагментов сигнала и их инвертированных копий.

3. Представленный алгоритм обладает следующими достоинствами: a) он работоспособен при малом отношении сигнал/шумb) точность определения границ тактовых интервалов повышается при увеличении соотношения сигнал/шум и количества анализируемых блоковс) алгоритм имеет более высокое быстродействие и помехоустойчивость по сравнению с алгоритмом с решающим правилом (2.39).

4. В представленной главе дан ускоренный алгоритм оценивания дисперсии шума, использующий в своей основе поиск пар совпадающих фрагментов сигнала и фрагментов сигнала и их инвертированных копий.

5. Анализ зависимостей отношения мощностей сигнал/шум от углов места, полученных комплексом радиотехнических средств приёма информации ЦПОИ «Самара» ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» для КА «Ресурс-ДК1», «SPOT4», «TERRA», «AQUA», позволяет утверждать о целесообразности применения разработанных алгоритмов обнаружения сигнала, тактовой синхронизации и оценивания дисперсии шума для приёма информации с КА при углах места мене 5°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведённые в данной диссертационной работе исследования показывают что:

1. Для обеспечения тактовой синхронизации в каналах с межсимвольной интерференцией, когда границы элементов сигнала стираются, и невозможно используя только лишь переходы с единицы на нуль либо с нуля на единицу синтезировать алгоритм тактовой, возможно использовать метод сравнения разнесённых во времени фрагментов сигнала.

2. Синтезированный алгоритм с решающим правилом (2.39), основанный на сравнении разнесённых во времени фрагментов сигнала, является алгоритмом, инвариантным к многолучёвости и виду модуляции. Его характеристики зависят от памяти канала и позиционности модуляции т.

3. Алгоритма с решающим правилом (2.39) обладает следующими свойствами: a) обеспечивает оценивание границ тактовых интервалов при низком отношении сигнал/шумb) увеличение набора статистических данных (увеличение количества блоков анализа д) приводит к повышению точности определения границ тактовых интерваловc) может использоваться для каналов с большой памятью канала (0>Ю).

4. Для обнаружения сигнала в канале с МСИ можно использовать алгоритмы с решающими правилами (3.24) и (3.29), базирующиеся анализе пар совпадающих и зеркально отображённых фрагментов сигнала.

5. Алгоритмы обнаружения сигнала с решающими правилами (3.24) и (3.29) инвариантны к многолучёвости, не требует знания параметров мощности, шума, зависит только от безразмерной величины Я, они справедливы для всех симметрично ориентированных видов модуляции.

6. Алгоритмы обнаружения сигнала с решающими правилами (3.24) и (3.29) обладают следующими свойствами: a) Алгоритм работоспособен при низком отношении сигнал/шумb) Вероятность, а и Р снижается с увеличением отношения сигнал/шум и увеличением дc) Вероятность точного определения совпадения зависит от количества Т, при этом при низком отношении сигнал/шум необходимо увеличение числа тактов для увеличения числа совпадений и соответственно повышения точности определения совпадающих фрагментов сигнала;

7. Быстродействие алгоритма с решающим правилом (3.24) по сравнению с алгоритмом с решающим правилом (3.29) выше приблизительно в 1,4 раза.

8. Для определения мощности шума по принимаемому информационному сигналу возможно использование совпадающих фрагментов сигнала, которые обеспечат оценивание дисперсии шума по алгоритму с решающим правилом (3.30).

10. На основе представленных алгоритмов обнаружения, тактовой синхронизации и оценивания дисперсии шума, возможно, обеспечить совместное оценивание параметров сигнала этими алгоритмов по единым входным данным.

11. Процедура формирования исходных данных совместного обнаружения, определения границ тактовых интервалов и оценивания дисперсии позволяет создать ускоренные алгоритмы тактовой синхронизации и оценивания дисперсии шума использующие не только совпадающие фрагменты сигнала, но и зеркально отображённые копии.

12. Быстродействие ускоренного алгоритма оценивания дисперсии шума, использующий в своей основе поиск пар совпадающих фрагментов сигнала и фрагментов сигнала и их инвертированных копий выше приблизительно в 1,4 раза, чем алгоритма с решающим правилом (3.30).

13. Ускоренный алгоритм тактовой синхронизации обладает следующими достоинствами: а) он работоспособен при малом отношении сигнал/шумb) точность определения границ тактовых интервалов повышается при увеличении соотношения сигнал/шум и количества анализируемых блоковc) алгоритм имеет более высокое быстродействие и помехоустойчивость по сравнению с алгоритмом с решающим правилом (2.39).