Исследование и оптимизация алгоритмов обработки сигналов в асинхронно — адресных системах связи

Актуальность работы. Динамика развития систем информационного обмена, систем и сетей телекоммуникаций показывает, что возрастает потребность в передаче звуковых сигналов в реальном масштабе времени. Пропускная способность подавляющего большинства каналов передачи информации является недостаточной, что обуславливает необходимость обработки исходного речевого сигнала (РС).

Загруженность каналов связи, интенсивно увеличивающиеся число пользователей систем информационного обмена, особенно систем мобильной связи и постоянно возрастающие требования к качественным характеристикам систем приводит к необходимости исследования потенциальных возможностей существующих методов и разработки новых методов по увеличению передаваемого потока информации в одной полосе частот.

Возникает необходимость надежной передачи больших потоков информации, что ведет к усложнению систем и аппаратуры связи, а также к перегруженности радиочастотного диапазона. Вследствие этого системы связи удорожаются и повышаются требования к ним. Одним из решений данной задачи является многоканальная связь. Системы многоканальной радиосвязи широко распространены, особенно автономные многоканальные системы передачи информации. Они служат для обеспечения обмена информацией между абонентами, когда по некоторым причинам нельзя применять централизованное объединение абонентов. Такими причинами могут быть размещение абонентов на большой территории, случайность размещения абонентов, большие скорости движения абонентов, необходимость обеспечения большой надежности и живучести по сравнению с многоканальными централизованными системами, и так далее. В этих случаях система связи может быть только асинхронной по времени, так как осуществить синхронизацию в перечисленных случаях практически невозможно.

Принципиальным отличием асинхронно-адресных систем связи (ААСС) от синхронных, является рассогласование моментов начала и окончания передачи сигналов отдельными абонентами и поступления их на вход приемного устройства. В связи с этим шумы неортогональности, сопровождающие работу таких систем, приводят к относительно низкому качеству связи, особенно при существенном увеличении числа одновременно работающих активных абонентов. Все это приводит к тому, что ААСС находят применение в качестве низовой радиосвязи. Следует отметить, что появление сотовых систем связи позволило за счет уменьшения размера сот и, соответственно, уменьшения количества одновременно находящихся в их зоне действия абонентов, решить частично проблему повышения качества радиосвязи. Тем не менее, в ряде случаев, таких, например, как сельская местность, военное применение, ААС радиосвязи по прежнему требуется обеспечение приемлемого качества передачи информации в условиях «закрытия» больших площадей и ограничений, накладываемых па используемый диапазон частот. Существенный вклад в исследуемую область внесли Агеев Д. В., Reeves А.Н., Венедиктов М. Д., Варакин J1.E., Марков В. В., Эйдус Г. С., Гитлиц М. Н., Лев АЛО., Макгайр М. Е., Литюк В. И. и другие исследователи [7−10, 13, 33, 36,40,44, 45, 62−64].

Как известно, применение сложных сигналов (СС) позволяет получить более высокие характеристики радиотехнических систем. Отметим, что под СС к-го порядка (к= 1,2,.) понимают такие сигналы, у которых в каждый момент времени на частотно-временной плоскости находится к значений частоты. При этом на каждой частоте над одной и той же информацией осуществляется модуляция по своему закону, присущему только этой частоте.

Появление цифровой обработки сигналов (ЦОС) позволило решить вопросы генерации и обработки СС с высокой степенью точности, ранее не достижимой аналоговыми методами. Большой вклад в развитие радиотехники ЦОС внесли Оппенгейи A.B., Шафер Р. В., Рабинер JI.P., Гоулд Б., Рейдер Ч., Каляев A.B., Лихарев В. А. и ряд других авторов.

Современные синхронные и асинхронные информационные радиосистемы, использующие сложные сигналы первого порядка (ССПП), т. е. к= 1, практически достигли своих потенциальных возможностей по обработке информации, поступающей по радиоканалам. Также, известны сложные сигналы второго порядка (ССВП) т. е. сигналы, у которых к= 2. Одними из представителей этих сигналов являются СС на основе применения кодовых последовательностей в виде ансамблей комплементарных (дополнительных) кодовых последовательностей. Основными свойствами комплементарных (дополнительных) кодовых последовательностей и ССВП на их основе являются: а) суммарная автокорреляционная функция (АКФ) каждого из сигналов имеет вид «5-функции" — б) суммарные взаимокорреляционные функции (ВКФ) «ортогональны в точке и на временном интервале при произвольном сдвиге».

Основным резервом повышения помехоустойчивости и пропускной способности ААСС различного назначения является использование широкополосных сигналов с различными видами модуляции [5, 7−10, 13, 17, 36, 40, 44, 45, 50, 52, 54, 56, 58, 61−69]. Идея технологии широкополосного сигнала состоит в том, что для передачи информации используется значительно более широкая полоса частот, чем это требуется при передаче в узкополосном канале. Системы на основе шумоподобных сигналов обладают следующими преимуществами [8]: помехозащищенностьне создаются помехи другим устройствам (низкая мощность сигнала) — конфиденциальность передачнизкая стоимость при массовом производстве (дешевые высокочастотные компоненты оборудования) — шумоподобный сигнал обеспечивает возможность работы в диапазоне, уже занятыми другими системами радиопередачвысокая скорость передачи.

Из проведенного краткого анализа видно, что в настоящее время не достаточно подробно рассмотрены вопросы, связанные с разработкой теоретических основ построения информационных асинхронных радиосистем, использующих ССВП. Таким образом, исследование методов и алгоритмов обработки в ААСС, использующих ССВП, представляет интерес как с научной так и с практической точек зрения и является актуальной задачей, поскольку позволяют увеличить количество одновременно работающих абонентов в заданной полосе частот.

Целью диссертационной работы является исследование и оптимизация алгоритмов обработки сигналов в ААСС, использующих сложные сигналы второго порядка, для повышения их эффективности функционирования путем увеличении количества одновременно работающих абонентов в заданной полосе частот при сохранении требуемого качества связи.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

• предложена модель цифровой ААСС, использующей ССВП;

• предложена и исследована модель адаптивного устройства обнаружения начала и конца РС;

• разработан алгоритм обработки РС на основе предложенной в работе модели;

• разработан алгоритм выделения сигнала в виде ССВП на приёмном конце приёмо-передающего тракта ААСС с помощью адаптивного порогового устройства (АПУ);

• разработан алгоритм обработки сигнала в виде ССВП на приёмном конце приёмо-передающего тракта ААСС на основе предложенной модели;

• исследована эффективность приёмо-передающего тракта ААСС, использующих ССПП и ССВП на основе предложенных критериев оценок;

• разработан программный комплекс для экспериментальной проверки эффективности предлагаемых алгоритмов.

Методы исследования основаны на использовании методов теории вероятности, методов теории статистических решений, методов теории матриц и матричного анализа. Также использовались численные методы математического моделирования, методы цифровой обработки сигналов и цифрового спектрального анализа, метод комплексной огибающей, методы статистического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. предложена и исследована цифровая модель адаптивного устройства обнаружения (АУО) начала и конца речевого сигнала на передающей стороне приемо — передающего тракта ААСС;

2. разработан алгоритм обработки звуковой реализации на основе предложенной цифровой модели АУО;

3. предложен и исследован алгоритм выделения сигнала па основе использования свойств ССВП на приёмном конце приёмо-передающего тракта ААСС;

4. разработан алгоритм обработки ССВП на приёмном конце приёмопередающего тракта ААСС и проведен анализ его эффективности при нарушении условий симметричности боковых лепестков (БД) суммарных ВКФ;

5. исследованы характеристики эффективности приёмо-передающего тракта ААСС, использующих ССПП и ССВП на основе предложенных критериев оценки и проведен их сравнительный анализ.

Практическая ценность диссертационной работы заключается: — в возможности применения во вновь разрабатываемых ААСС новых видов сложных сигналов, а именно, ССВП, что позволяет существенно увеличить количество одновременно работающих абонентов без ухудшения качества связи в 8 — 9 раз по сравнению с функционирующими ААСС, использующие ССПП за счет расширения полосы занимаемых частот в 2 раза;

— разработанном программном обеспечении, которое позволяет проводить сравнительную оценку эффективности ААСС при применении различных видов кодирующих последовательностей в ССВП. Показано, что в заданной полосе частот ААСС использование Dи E-кодов, позволяет увеличить количество абонентов в 1,5−2 раза по сравнению с другими видами кодов;

— применение разработанных алгоритмов в АУО позволяет снизить поток сигналов, излучаемых в эфир ААСС, на 10 — 15%.

Достоверность результатов подтверждаются использованием в процессе исследований адекватных описательных и математических моделей, корректным использованием математического аппарата и логической обоснованностью выводов, а также подтверждением полученных результатов методами имитационного моделирования и актами внедрения полученных результатов в работы промышленных предприятий и в учебный процесс кафедры РПрУ и ТВ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм обработки РС, принимаемых на фоне Шумов неизвестной интенсивности, который позволяет определить начало и конец звуковых реализаций, поступающих на обработку в аддитивной смеси с шумом.

2. Алгоритм выделения ССВП абонента, которые представляют собой последовательности кодирующих РС, принимаемые в аддитивной смеси с ССВП от других мешающих абонентов.

3. Алгоритмы работы различных видов ПУ, у которых значение уровня порога изменяется в зависимости как от свойств ССВП, так и от уровня кодирующих РС внутрисистемных помех.

4. Критерий эффективности (КЭФ) ААСС, использующих различные кодирующие последовательности.

Внедрение результатов работы. Полученные научные и практические результаты работы были использованы в разработках предприятия AMO.

ЗИЛ, в ООО «Станко-Пресс», также используются в учебном процессе на кафедре РПрУ и ТВ ТИ ЮФУ в г. Таганроге.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и бсуждались на:

VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2002; VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». -Таганрог, 2002; 5-й Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Москва, 2003; VII Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2003; VII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». — Таганрог, 2004; X Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2004; XI Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2005; Международной молодёжной научно-техническая конференции студентов, аспирантов и учёных «Молодёжь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006». Севастополь, 2006; VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». — Таганрог, 2004; L1 Научно-технической конференции ТРТУ. Таганрог, ТРТУ, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи и 10 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Список литературы

включает 65 наименований.

4.7. Выводы по четвёртой главы.

4.7.1. Рассмотрена эффективность приемо-передающего тракта ААСС с использованием ССВП путем ИМ. Исследование приемопередающего тракта ААСС производилось путем фиксирования возможного количества одновременно функционирующих абонентов в одном диапазоне частот при эксплуатации с заданным качеством и под влиянием входных воздействий РС от других станций, количество которых носит случайный характер. Показано что, применение ИМ целесообразно, поскольку посредством его возможно наблюдать за поведением системы в течение определенного периода времени, в том числе за изменением скорости протекания процессов. Поскольку основой ИМ является метод статистических испытаний (МСИ), наибольший эффект от его применения достигается при исследовании сложных систем, на функционирование которых существенное влияние оказывают случайные факторы, а таковой и является исследуемая система.

4.7.2. На основе разработанного алгоритма моделирования приемопередающего тракта ААСС, использующей ССВП, проведено экспериментальное исследование эффективности предложенного алгоритма математической модели ААСС путем ИМ. Показано, что использование модернизированного АПУ повышает разборчивость принятого РС на 30−40% в независимости от применяемого кода.

4.7.3. Показано, что в ААСС, использующей ССВП, например, на основе О — кода, КЭФ равен 43,8%, а это значительно выше, чем при использовании в ААСС, использующей ССПП при котором КЭФ равен 25%. Также приведены значения КЭФ для Е, Ь и кодов, но в ААСС, использующих ССВП в два раза расширяется полоса занимаемых системой частот.

Для сравнения характеристик ССПП и ССВП в ААСС произведен расчет количества активных абонентов ААСС в разрешенном для использования диапазоне частот, что позволяет произвести сравнение с существующими ААСС.

4.7.4. Показано, что при условии одинаковости полосы частот наиболее выгодными являются ААСС на основе D и Е кодов, т.к. при использовании данных кодов, которым соответствуют к= 1 и к= 2 соответственно, позволяют обеспечить одновременное количество активных абонентов более чем в 2 раза по сравнению с L и LQ кодами, у которых к=4 и к= 8 соответственно. Сделано сравнение существующих систем с ААСС, использующих ССВП, кодируемых Dи Е-кодами.

4.7.5. Проведено сравнение предлагаемой ААСС, использующих ССВП с существующей системой «RACEP», которая является ААСС, использующей ССПП. Показано, что при общем числе абонентов системы «RACEP» равной 700 абонентов наибольшее число возможных одновременно активных абонентов равно 35.

При исследовании ААСС, использующих ССВП, общее количество абонентов исходя из свойств ССВП рано 512, наибольшее число возможных одновременно активных абонентов на основе D и Е кодов равно 224 и 282 соответственно, что намного превосходит данный показатель у сравниваемой системы RACEP. При этом однако увеличивается ширина полосы частот общего тракта у ААСС, использующей ССВП. Тем не менее, относительно небольшой проигрыш в полосе занимаемых частот существенно перекрывается ростом числа одновременно работающих абонентов. Кроме того, использование ССВП позволяет также косвенно повысить ЭМС РЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе рассмотрены вопросы, связанные с построением ААСС на основе кодового разделения сигналов с использованием ССВП.

1. Проведенный анализ состояния проблемы показал, что ААСС, использующие ССПП, образуют тем недостатком, что одновременно в одной полосе занимаемых частот может работать относительно небольшое число активных абонентов. Рассмотрены особенности и показаны основные свойства ССВП. Сделан вывод о целесообразности использования ССВП в ААСС. Проведен анализ состояния проблемы по обнаружению начала и конца реализации РС.

2. Предложен алгоритм АУО начала и конца реализации РС. Алгоритм исследовалась при изменениях интенсивности шумовых характеристик в 2−3 раза при заданной вероятности ложной тревоги F='}- F='4- F='5. Определено, что форма характеристики обнаружения при этом не изменились.

3. Разработан алгоритм обработки звуковой реализации на основе предложенной цифровой АУО. Представленное устройство проанализировано методом ИМ, это подтвердило правильность использования теоретических положений при изменении в широком диапазоне процессов и позволило за счет стабилизации ложной тревоги Т7 сократить поток сигналов, излучаемых каждой станцией в эфир на 10−15%. Получены характеристики АПУ приемного тракта ААСС при условии отсутствия совпадений во времени БЛ от соседних станций друг с другом причем сигналы станций перекрывается во времени.

4. Предложена структурная схема модернизированного АПУ, которой процедура обнаружения которого основана на порядковых статистиках позволяющие сохранить высокие характеристики по подавлению БЛ, в случае, когда наблюдается эффект их наложения друг на друга. Показано, что не требуется сложной аппаратуры для быстрого упорядочивания большого количества данных. Показано, что использование модернизированного АПУ повышает разборчивость принятого РС на 30−40% в независимости от применяемого кода.

5. Проанализировано, что при условии одинаковости полосы частот наиболее выгодными являются ААСС на основе О и Е кодов, т.к. при использовании данных кодов, позволяют обеспечить одновременное количество активных абонентов более чем в 2 раза по сравнению с Ь и кодами, у которых К=4 и АЛ=8 соответственно. Проведено сравнение параметров существующих систем с ААСС кодируемой Ои Е-кодами.

6. Показано, что применение Ь и ЬС) кодов в ААСС, использующих ССВП, позволяет повысить количество одновременно работающих абонентов до количества, кода активно работает из них без взаимных помех друг другу и высокой разборчивости передаваемых РС.

8. Проведено сравнение предлагаемой ААСС, использующих ССВП с существующей системой «ЛАСЕР», которая является ААСС, использующей ССПП. Проведен сравнительный анализ с известной системой ААСС, использующих ССПП. Показано, что ААСС, использующих ССПП при общем числе абонентов равных 700 КЭФ равен < 5%. При исследовании ААСС, использующих ССВП, общее количество абонентов, исходя из свойств ССВП, рано 512, КЭФ на основе Э и Е кодов равен < 43 и < 56 соответственно, что намного превосходит данный показатель у сравниваемой ААСС, использующей ССПП. При этом увеличивается ширина полосы частот общего тракта в два раза у ААСС, использующей ССВП. Тем не менее, относительно небольшой проигрыш в полосе занимаемых частот существенно перекрывается ростом числа одновременно работающих абонентов. Кроме того, использование ССВП позволяет также косвенно повысить ЭМС РЭС.

9. Создан пакет программных средств, реализующий вышеуказанные алгоритмы и позволяющий проводить экспериментальные исследования ИМ ААСС с различными видами СС.