Повышение скорости передачи информации в системах радиосвязи за счет применения спектрально-эффективных сигналов

Актуальность темы

В последнее время в связи с интенсивным развитием радиотехнических средств передачи дискретной информации (СПДИ) ощущается нехватка спектральных ресурсов, возрастает количество объемов передаваемой информации, повышаются требования к качеству передачи сообщений. В связи с этим возрастает актуальность проблемы повышения удельной скорости передачи информации при обеспечении необходимой достоверности приема. Особенно важна необходимость эффективного решения этой проблемы в таких развивающихся СПДИ, как спутниковые и сотовые, а также при трансляции больших объемов информации при передаче видеоизображений в цифровом телевидении высокого качества, в видеоконференциях, как наиболее перспективных средствах связи.

Для повышения удельной скорости передачи информации и увеличения энергетической эффективности систем радиосвязи применяются отдельно и в совокупности различные методы:

— специальные виды модуляцииквадратурно-амплитудная (KAM), ам-плитудно-фазовая (АФМ), частотная с непрерывной фазой (ЧМНФ);

— эффективные методы формирования последовательностей — введение межсимвольной интерференции (МСИ), применение зависимых сигналов, увеличение канального алфавита;

— сглаживание амплитуды, фазы или частоты в моменты перескока фазы или смены посылки;

— спектрально-эффективные коды;

— цифровая реализация методов обработки сигналов.

В работе основное внимание уделено повышению удельной скорости передачи информации за счет применения спектрально-эффективных сигналов со сглаживанием огибающих.

Спектрально-эффективные виды модуляции и сигнальные траектории находят широкое применение в СПДИ' АФМ-МСИ сигналы в радиорелейных, спутниковых и проводных системах связи (Bell Northern Research, TRW, Fujitsu), KAM сигналы в радиорелейной связи (TRW, Fujitsu,), модуляция с минимальным сдвигом (ММС) в стандарте РОС SAG, квадратурно-фазовая манипуляция (КФМ) в спутниковой, саговой связи (Mobile Satellite, North America Digital CeMar), час-тотно-манипулированые сигналы с частотным импульсом вида трапеции (ТРЧМ) и приподнятый косинус (ПКЧМ) в KB связи (Омский НИИ приборостроения), гауссовская ММС (ГММС) в цифровой сотовой связи (Ericsson). Однако, перечисленные сигналы и виды модуляции либо обеспечивают небольшую удельную скорость передачи и неудовлетворительную скорость спада спектра (ММС, ТРЧМ, КФМ), либо имеют большие энергетические потери (KAM). Можно обозначить следующие физические причины указанных недостатков:

— прямоугольностъ импульсов сигнальных траекторий, обусловливающая наличие скачков амплитуды, фазы или частоты, приводящих в итоге к расширению спектра (KAM);

— неоптимальность, обусловленная эмпиричностью выбора закона огибающих исходя из простоты формирования (ТРЧМ, ПКЧМ, ММС, АФМ-МСИ вида sinx/x);

— использование фильтров при формировании сигналов (ГММС, Фехера КФМ).

При формировании НЧ сигналов с использованием фильтров далеко не все формы огибающих могут быть реализованы, а увеличение скорости передачи приводит к возникновению неконтролируемой МСИ, увеличению пик-фактора колебаний, к энергетическим потерям. К тому же для каждого из нескольких видов манипуляции необходим «свой» оптимальный фильтр, либо требуется усредненный для разных видов работ передатчика манипуляцион-ный фильтр (в системах морской подвижной связи KB диапазона).

Таким образом, актуальной является проблема выбора оптимальной формы огибающей. Предлагается при безфилыровом методе формирования оптимизировать форму огибающей: определить законы плавного изменения амплитуды, фазы, частоты в соответствии с критериями, вытекающими из требований разработчика.

В работе рассматривается оптимизация огибающих спектрально-эффективных сигналов путем синтеза, а также путем применения в качестве законов изменения огибающих классов гладких функций (так как последний метод также может дать оптимальные результаты). Следует отметить, что некоторые используемые законы изменения огибающих сигналов могут оказаться оптимальными в соответствии с теми или иными критериями.

Целью работы является повышение удельной скорости передачи информации в системах радиосвязи за счет применения оптимальных спектрально-эффективных сигналов при сохранении высокой достоверности приема.

Для достижения данной цели формулируются следующие задачи:

— проведение анализа используемых в системах связи сигналов и видов модуляции;

— проведение анализа критериев оптимальности радиосигналов;

— поиск оптимальных спектрально-эффективных сигналов в зависимости от требований к внеполосным излучениям (ВПИ), скорости передачи, достоверности приема в соответствии с выбранным критерием;

— исследование временных и спектральных характеристик полученных сигналов и сравнение их с характеристиками сигналов, используемых на практике;

— исследование помехоустойчивости приема найденных сигналов;

— оптимизация алгоритмов приема для некоторых найденных сигналов;

— разработка алгоритмов формирования спектрально-эффективных сигналов на сигнальных процессорах, исследование ошибок формирования;

— разработка рекомендаций по применению предлагаемых спектрально-эффективных сигналов в системах радиосвязи.

Методы исследования. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, результаты моделирования, полученные с использованием методов теории передачи информации, теории оптимального приема сигналов, вариационного исчисления, функционального анализа, специальных функций, теории случайных процессов и математической статистики, спектрального анализа, методов вычислительной математики и программирования.

Научная новизна.

1. Аналитически синтезированы новые формы оптимальных семейств огибающих спектрально-эффективных сигналов по критериям минимума ВПИ, максимальной компактности спектра при ограничениях на спектральные, временные параметры, энергию и вероятность ошибок приема для сигналов с АФМ, АФМ-МСИ и ЧМНФ сигналов. Для АФМ сигналов найдены огибающие, имеющие при заданном пик-факторе колебаний П>1,17 лучшую скорость убывания ВПИ по сравнению с известными сигналами при заданной энергии и длительности. Для ЧМНФ сигналов найдены огибающие, имеющие при заданном минимальном евклидовом расстоянии между сигналами лучшую скорость убывания ВПИ спектра, чем у известных сигналов.

2. Показано, что найденные сигналы являются семействами в отличие от известных сигналов. Спектрально-временные характеристики полученных в результате решения оптимизационной задачи сигналов составляют при различных параметрах задачи непрерывные кривые зависимостей.

3. Впервые предложен критерий оптимизащи спектрально-эффективных сигналов — критерий максимальной компактности спектра, синтез по которому дает семейство АФМ сигналов с более широким диапазоном изменения пик-фактора, чем у семейства, синтезированного по критерию минимума ВПИ.

4. Показано, что семейство оптимальных АФМ-МСИ сигналов совпадает с семейством сигналов, являющихся решением задачи синтеза по критерию максимальной компактности спектра, что свидетельствует об универсальном характере полученных законов изменения огибающих сигналов.

5. Предложена таблично-графическая методика выбора оптимальных спектрально-эффективных сигналов как с постоянной, так и с переменной огибающей из семейств:

АФМ сигналов: при П=1,17.1,80, Ку=1,20 .,.2,80, Ке= 0,50.-3,30дБ,.

АФМ-МСИ: при П=1,17.1,80, Ку=2,20.5,20, КЕ= -5,50.-0,10дБ,.

ЧМНФ: при h=0,715, П=1, Р=1,39.&bdquo-2,07 Ку= 1,80 .0,95, Кб =2,35., 3,02. по заданным спектрально-временным характеристикам и характеристикам приема в зависимости от требований разработчика (где Kv — коэффициент увеличения удельной скоростиКЕ — энергетический выигрыш (КЕ>0) /проигрыш (КЕ<0) при оптимальном когерентном приеме: относительно трапецеидальных сигналов для АФМ и относительно ММС для ЧМНФ, hиндекс манипуляции).

6. Сделан вывод, что с достаточной степенью точности (при среднеквадратичном отклонении, равном 10″ 6) при П>1,37 законы изменения огибающих расширенного класса найденных АФМ сигналов совпадают с классом функций вида siri^ где т>0.

7. Проведена теоретическая и экспериментальная оптимизация алгоритмов обработки АФМ-МСИ сигналов, которая позволяет реализовать дополнительный энергетический выигрыш 0,5.5,8 дБ в зависимости от формы огибающей сигнала.

Практическая ценность работы.

1. Полученные оптимальные АФМ сигналы длительности Т и 2 Т позволяют увеличить скорость передачи информации в заданной полосе частот в СПДИ с высокой линейностью каналов (спутниковые, радиорелейные). Синтезированные АФМ-Т сигналы (длительности информационной посылки Т) обеспечивают увеличение удельной скорости до 2,8 раз при энергетических потерях не более 3,3 дБ по сравнению с трапецеидальными сигналами в режиме фиксированной пиковой мощности. Оптимальные спектрально-эффективные АФМ-МСИ сигналы при П=1,75 обеспечивают повышение удельной скорости передачи информации по сравнению с АФМ-Т сигналами вида трапеции в 5,2 раза без энергетических потерь. Оптимальные ЧМНФ сигналы позволяют увеличить скорость передачи до 1,8 раз по сравнению с ММС сигналами при энергетическом выигрыше 2,55 дБ в случае квазиоптимального когерентного алгоритма обработки при Рош-102 в ЬСВ, сотовых и других СПДИ.

2. Предложенная таблично-графическая методика выбора эффективных сигналов позволяет осуществить практическую оптимизацию сигналов при проектировании систем связи, что значительно упрощает и ускоряет выбор оптимального сигнала по заданным характеристикам, делает возможным осуществление обмена энергетической эффективности на увеличение скорости передачи информации.

3. Полученные сигналы в сочетании со спектрально-эффективными методами фрактального сжатия и КАМ-кодирования позволяют улучшить качество передачи видеоизображений по спутниковым линиям связи и в видеоконференциях.

4. АФМ-МСИ сигналы могут быть применены в системах связи для повышения степени защиты информации от несанкционированного доступа: при приеме таких сигналов специальными алгоритмами обеспечивается достоверность передачи информации" близкая к потенциальной, при приеме традиционными алгоритмамидостоверность приема не обеспечивается.

5. Разработаны алгоритмы формирования и структура установки формирователя последовательностей спектрально-эффективных АФМ и ЧМНФ сигналов с использованием сигнальных процессоров А08Р-2Ю1, 2181. Среди известных сигналов своего класса формируемые АФМ-Т и АФМ-МСИ сигналы при заданном пик-факторе имеют лучшие спектральные характеристики, а ЧМНФ сигналы при заданном евклидовом расстоянии имеют лучшую спектральную эффективность.

Реализация и внедрение результатов исследований.

1. Результаты рабопгы внедрены в НИР Омского НИИ приборостроения по созданию перспективного передатчика декаметровой связи.

В рамках этой работы получены алгоритмы безфильтрового формирования огибающих телеграфных сигналов для КВ систем связи, обеспечивающие более высокую скорость передачи в отведенной полосе частот, чем используемые сигналы.

2. Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Средства связи» ОмГГУ.

Разработана лабораторная работа по компьютерному моделированию формирования и обработки сигналов различных видов модуляции (АФМ, ЧМНФ, АФМ-МСИ и др.) с синтезированными амплитудными и частотными импульсами в среде моделирования СИАМ. Разработана лабораторная работа по исследованию процесса формирования сигналов и изучения их спектральных характеристик для различных видов модуляции (АФМ, ЧМНФ, АФМ-МСИ и др.) с синтезированными амплитудными и частотными импульсами на сигнальном процессоре АЛ8Р2101.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и одобрены на 5 научных конференциях и симпозиумах (в том числе на четырех Международных): на Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и радиосети-96», (Омск, 1996), Всероссийской научно-технической конференции «Методы и технические средства обеспечения безопасности информации» (Санкт-Петербург, 1996), Международном симпозиуме «Акустоэлектроника, управление частотой и формирование сигналов» (Москва, 1996), Международной научно-практической конференции и выставке «Спутниковые системы связи и навигации» (Красноярск, 1997), IV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 1998), а также на научно-технических семинарах кафедр «Средства связи», РТУ и ФМПИ ОмГТУ, кафедр «Радиотехника» и «Радиоэлектронные средства защиты информации» СПбГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе статьи в центральной печати и в трудах Международных конференций.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из основной части объемом 150 стр.: введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений объемом 62 стр. Текст содержит 35 таблиц и иллюстрируется 125 рисунками.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Семейство спектрально-эфективных АФМ сигналов, непрерывное по параметрам с пик-фактором П> 1,17, оптимальное по критерию максимальной компактности спектра.

2. Метод повышение удельной скорости передачи информации до 2,8 раз, заключающийся в применении синтезированных оптимальных АФМ-Т сигналов и обеспечивающий минимум энергетических потерь (до 3,3 дБ) по сравнению с трапецеидальными сигналами в режиме фиксированной пиковой мощности.

3. Критерий максимальной компактности спектра, являющийся более общим по отношению к критерию минимума ВПИ при решении задачи оптимизации формы АФМ сигналов, позволяющий при синтезе сигналов расширить нижнюю границу диапазона изменения пик-фактора семейства оптимальных АФМ сигналов до значения П=1,17.

4. Семейство оптимальных спектрально-эффективных АФМ сигналов с МСИ длительности 2 Т, синтезированных по критерию минимума ВПИ и обеспечивающих при П=1,75 повышение удельной скорости передачи информации в 5,2 раза по сравнению с АФМ-Т сигналами вида трапеции без энергетических потерь. Данное семейство решений совпадает с семейством решений задачи синтеза АФМ сигналов по критерию максимальной компактности спектра.

5. Три класса семейств ЧМНФ сигналов: а, с, оптимальный по критерию минимума ВПИ класс f. ЧМНФ сигналы а-кпасса, обеспечивающие увеличение удельной скорости передачи информации до 1,8 раз по сравнению с ММС сигналами при энергетическом выигрыше при квазиоптимальном алгоритме приема на 3,02.2,35 дБ.

6. Таблично-графическая методика выбора оптимальных сигналов для средств связи (по пик-факгору, полосе частот, помехоустойчивости), позволяющая значительно упростить и ускорить практическую оптимизацию сигналов при разработке систем связи, а также осуществлять обмен энергопотребления на скорость передачи.

7. Оптимизированные алгоритмы обработки АФМ-МСИ сигналов, позволяющие реализовать при разных формах огибающих сигналов дополнительный энергетический выигрыш до 5,8 дБ по сравнению с трапецеидальным АФМ-Т сигналом.

8. Результаты сравнения интегральной эффективности всех рассмотренных в работе классов сигналов, видов модуляции и алгоритмов обработки (АФМ, АФМ-МСИ, ФМ, ЧМНФ) показывающие, что самым эффективным сигналом в смысле близости к границе Шеннона являются сигналы АФМ-МСИ с П=1,75 (при оптимальном когерентном алгоритме и оптимизированном интервале анализа).

9. Результаты сравнения огибающих спектра случайных последовательностей синтезированных АФМ, АФМ-МСИ и ЧМНФ сигналов на сигнальных процессорах А08Р-2181 с теоретически рассчитанными, показавшие, что отклонения находятся в пределах погрешности измерений и не отличаются более чем на 5−10% при количестве выборок 16 и более на период Т длительности информационного символа при скоростях манипуляции до 120 кбит/с.

10. Оценки повышения степени защиты информации от несанкционированного доступа в СПДИ при применении синтезированных сигналов, которые показывают, что при приеме оптимальных АФМ-МСИ-2Т сигналов с П=1,17 классическим алгоритмом энергетические потери составляет более 25 дБ, при приеме этих же сигналов специальным алгоритмом — менее 1 дБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предложен комплексный критерий максимальной компактности спектра, позволяющий в зависимости от весового коэффициента синтезировал" сигналы с заданной скоростью спада ВПИ спектра и концентрацией энергии в полосе частот. Показано, что для решения задачи оптимизации формы АФМ сигналов данный критерий является более общим по отношению к критерию минимума ВПИ. Его применение позволяет расширить семейство оптимальных по критерию минимума ВПИ АФМ сигналов по диапазону изменения П до сигналов с П>1,17.

2. Разработана методика аналитического и численного решения задач синтеза оптимальных спектрально-эффективных АФМ сигналов по критериям минимума ВПИ и максимальной компактности спектра при ограничениях на пик-фактор колебания и энергию, задач синтеза АФМ-МСИ и ЧМНФ сигналов по критерию минимума ВПИ при ограничениях на евклидово расстояние и П (для АФМ-МСИ). Синтезированы оптимальное по критерию минимума ВПИ семейство АФМ сигналов с пик-фактором П>1,37, оптимальные по критериям минимума ВПИ и максимальной компактности спектра семейства соответственно АФМ и АФМ-МСИ сигналов, обладающие среди известных сигналов максимальным убыванием ВПИ спектра при заданном П. Также предложены семейства спектрально-эффективных ЧМНФ сигналов при различных е (помехоустойчивости). Показано, что с достаточной степенью точности, начиная с П=1,37, законы изменения огибающих расширенного класса синтезированных оптимальных АФМ сигналов совпадают с классом функций вида вш^х, где ш>0.

3. Полученные оптимальные по критерию максимальной компактности спектра спектрально-эффективные АФМ сигналы при П=1,75 позволяют повысить удельную скорость передачи дискретной информации по сравнению с АФМ сигналами трапецеидального вида в 1,2.2,8 раз при энергетических потерях не более, чем 3,3 дБ при Ропг=10″ 2.

4. Синтезированы оптимальные по критерию минимума ВПИ спектрально-эффективные АФМ сигналы с МСИ длительности 2 Т. Полученные АФМ-МСИ сигналы при П=1,75 обеспечивают повышение удельной скорости передачи информации по сравнению с АФМ-Т сигналами вида трапеции в 5,0 раз без энергетических потерь при оптимизированном алгоритме и Рош~102. Показано, что семейство функций огибающих оптимальных сигналов АФМ-МСИ совпадает с семейством огибающих сигналов при решении задачи синтеза по критерию максимальной компактности спектра. Сделано заключение о получении нового универсального семейства гладких функций, применение которых в качестве законов изменения сигнальных траекторий позволяет получить оптимальные по требуемым критериям характеристики сигналов.

5. Предложены три класса семейств ЧМНФ сигналов, в том числе оптимальное по критерию минимума ВПИ. В зависимости от требований на характеристики возможен выбор лучшего сигнала из одного из семейств по энергетическим или спектральным характеристикам. ЧМНФ сигналы а-класса обеспечивают выигрыш в удельной скорости в 0,95.1,8 раз по сравнению с ММС сигналами при энергетическом выигрыше 3,02.2,35 дБ и применении разработанного квазиоптимального когерентного алгоритма приема.

6. Все найденные в работе сигналы являются семействами, «непрерывными» по диапазону изменения П и по своим характеристикам — в отличие от известных сигналов с с дискретными значениями пик-фактора.

7. Разработана таблично-графическая методика выбора оптимальных сигналов среди синтезированных семейств для средств связи (по пик-фактору, полосе частот, помехоустойчивости), которая позволяет значительно упростить и ускорить практическую оптимизацию сигналов при проектировании систем связи. Выбор возможен среди АФМ-Т^Т сигналов с П=1,17.1,8 а также среди ЧМНФ сигналов сР=1,39.2,07.

8. Проведена оптимизация алгоритма обработки АФМ сигналов с МСИ путем выбора оптимального интервала интегрирования. Это позволяет реализовать дополнительный энергетический выигрыш в зависимости от формы огибающей сигнала от 0,5 до 5,8 дБ. Показано, что при обработке АФМ-МСИ сигналов алгоритмом Виттерби энергетические потери будут составлять не более 0,5 дБ относительно ФМ-2.

9. Предложены алгоритмы формирования последовательностей спек-тральво-эффективных АФМ и ЧМНФ сигналов (имеющих соответственно при заданном пик-факторе и евклидовом расстоянии лучшее убывание ВПЙ спектра) на установке с использованием сигнальных процессоров ADSP-2101, 2181. Показано, что отклонение огибающих спектра от теоретических при формировании случайных последовательностей синтезированных АФМ, АФМ-МСИ и ЧМНФ сигналов на процессоре ADSP-2181 находится в пределах погрешности измерений и не отличается более чем на 5−10% при количестве выборок 16 и более на период Т длительности посылки при скоростях передачи до 120 кбит/с. По мере возрастания величины пик-фактора и гладкости формы импульсов синтезированных АФМ сигналов погрешности формирования заданного спектра на сигнальном процессоре увеличиваются, однако находятся в пределах ошибок измерений при количестве выборок 16 и более на период Т.

10. Из сравнения интегральной эффективности всех рассмотренных классов сигналов, видов модуляции и алгоритмов обработки (АФМ, АФМ-МСИ, ФМ, ЧМНФ) можно заключить, что самым эффективным сигналом в смысле близости к границе Шеннона являются сигналы АФМ-МСИ с П=1,75 при оптимизированном алгоритме.

11. Найденные виды сигналов позволяют повысить степень защиты информации в СПДИ. Так, при приеме оптимальных АФМ-МСИ-2Т сигналов с П=1,17 классическим алгоритмом энергетические потери при Рош= 10~2 составляет более 25 дБ, при приеме этих сигналов оптимизированным алгоритмом — менее 1 дБ. —.

12. Рассмотренные законы изменения огибающих АФМ сигналов могут быть использованы для формирования огибающих последовательности KAM и АФМ сигналов с МСИ длительности LT (1/=3,4), зависимых сигналов и сигналов с объемом алфавита М>2.