Разработка и исследование методов передачи дискретных сигнальных последовательностей по каналам с межсимвольной интерференцией

На правах рукописи

Хабаров Евгений Оттович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛЬНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ С МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ Специальность 05.12.13 – «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Самара 2013 2

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО ПГУТИ, г. Самара).

Научные консультанты:

–заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кловский Даниил Давыдович, –доктор технических наук, профессор Николаев Борис Иванович.

Официальные оппоненты:

Васильев Константин Константинович – заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Телекоммуника ции» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ульяновский государственный техниче ский университет» (ФГБОУ ВПО УлГТУ), г. Ульяновск;

Парамонов Алексей Анатольевич – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиосистем передачи информации Федерального государ ственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехни ки, электроники и автоматики» (ФГБОУ ВПО МГТУ РЭА), г. Москва;

Чесноков Михаил Николаевич – доктор технических наук, профессор, ведущий инженер общества с ограниченной ответственностью «Специальный Технологиче ский Центр» (ООО СТЦ), г. Санкт-Петербург.

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Московский ордена Трудового Красного Зна мени научно-исследовательский радиотехнический институт» (ОАО МНИРТИ), г. Москва.

Защита состоится «11» октября 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертацион ного совета Д219.003.02 при Поволжском государственном университете теле коммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л. Толстого, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО ПГУТИ.

Автореферат разослан «_09_» _сентября_ 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д219.003.02, доктор технических наук, профессор Д.В. Мишин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Представленная диссертационная работа лежит в русле исследований и разра боток, которые проводились на кафедре теоретических основ радиотехники и связи (ранее кафедра теории передачи сигналов) под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н. проф. Д.Д. Кловского.

В процессе своей работы автор опирался на труды Д.Д. Кловского, Б.И. Никола ева, В.Г. Карташевского, С. М. Широкова, Д. В. Мишина, В.П. Зайкина, Ю.В. Алы шева, А.В. Борисенкова, А.М. Чингаевой, и др., которые в разное время принимали участие в указанных исследованиях.

Кроме того, в этом плане необходимо отметить работы отечественных учёных, таких как С.С. Бек, Н.Е.Кириллов, П. Я. Нудельман, А.А. Парамонов, Ю.А. Тамм, Н.П. Хворостенко, И.А. Цикин, М.Н. Чесноков, и др.

Из зарубежных публикаций следует отметить таких учёных как D.W. Tufts, G. Un gerboeck, J. Proakis, Kobayashi, G. D. Forney, A. J. Viterbi, C. Berrou, A. Glavieux, P.

Robertson, T. Worz, J.E. Mazo и др.

Предлагаемая диссертационная работа посвящена проблемам обработки сиг нальных последовательностей на выходе каналов с межсимвольной интерференцией (МСИ), под которой понимается перекрытие во времени элементов сигнальной по следовательности, что приводит к нарушению их взаимной ортогональности.

Наиболее распространёнными причинами этого явления могут быть:

многолучевое прохождение сигнала в среде распространения;

неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), в том числе ограничение полосы пропускания канала связи величиной, меньшей т.н. полосы Найквиста.

К каналам с многолучевым распространением следует отнести радиоканалы ко ротковолнового (декаметрового) диапазона, каналы мобильной связи, тропосферные линии связи, каналы космической связи при малых углах места и т.д.

Особенностью таких каналов является наличие замираний, и, как следствие, из менение во времени его параметров, в том числе отклика канала на единичный сиг нальный элемент (СЭ). В настоящее время разработаны различные методы оценива ния параметров канала на приёмной стороне. При этом оценивание реакции канала на единичный СЭ может осуществляться как по рабочим (информационным) сиг нальным элементам, так и по специальным тестовым (испытательным) сигналам.

Как показывают теоретические исследования, а также лабораторные и линейные испытания, приведённые методы оценивания реакции канала обеспечивают высо кую точность и быстродействие даже при работе в условиях декаметрового (ДКМВ) канала, для которого характерны быстрые изменения параметров во времени.

Это обстоятельство дает основание осуществлять анализ помехоустойчивости предлагаемых алгоритмов в предположении, что канал связи обладает свойством локальной стационарности, а его параметры, в том числе реакция канала на единичный СЭ известны на приёмной стороне.

Актуальность темы исследования. Данная диссертационная работа посвяще на проблемам передачи дискретной информации последовательным (одноканаль ным) методом по каналам с МСИ, вызванной различными физическими причинами.

Последовательные методы передачи дискретных сообщений всегда привлекали внимание разработчиков телекоммуникационных систем, предназначенных для ра боты в каналах с временным рассеянием и многолучевым распространением. Несо мненными достоинствами подобных систем являются устойчивость к селективным по частоте замираниям, независимый характер замираний сигналов отдельных лу чей, а также хороший пик-фактор, позволяющий эффективно использовать возмож ности передающей аппаратуры.

Основной причиной, затрудняющей широкое внедрение таких методов переда чи в телекоммуникационных системах различного типа, является характерное для них явление МСИ, которая существенно осложняет обработку принимаемых сигна лов в подобных системах.

Несмотря на то, что оптимальные и субоптимальные алгоритмы демодуляции сигнальных последовательностей при наличии МСИ разработаны достаточно давно, до начала 90-х годов прошлого века их реализация была затруднена по причине от сутствия соответствующей элементной базы. Тем не менее, последовательные мето ды передачи по каналам с рассеянием были использованы в некоторых разработках и стандартах КВ-модемов, а также в системах мобильной связи стандарта GSM.

Другим существенным фактором, ограничивающим применение одноканальных методов передачи, являются трудности, возникающие в каналах с МСИ, при реали зации новейших методов помехоустойчивого кодирования. В этом плане особенно следует отметить методы формирования и декодирования сигналов с турбо решетчатой кодовой модуляцией – ТРКМ (turbo-trellis-coded modulation –TTCM), основой которых послужили разработанные ранее системы с решетчатой кодовой модуляцией (РКМ) на основе свёрточных кодов.

В данной диссертационной работе предложены алгоритмы демодуляции, а так же методы декодирования сигнальных последовательностей с РКМ и ТРКМ при наличии МСИ в канале связи (см. ниже «Задачи диссертации» п.п. 2,3,4). Кроме то го, проведён анализ характеристик качества предложенных демодуляторов и деко деров. Основной особенностью предложенных методов демодуляции и декодирова ния является использование обратной связью по решению (ОСР), которая, несмотря на риск размножения ошибок, позволяет улучшить помехоустойчивость приёмника при наличии МСИ.

С учётом приведённых выше соображений такая постановка задачи является актуальной. Другой важной задачей диссертационной работы (см. ниже «Задачи диссертации» п.п. 5), является исследование возможности и целесообразности пере дачи дискретных сообщений по каналам с ограниченной полосой пропускания при удельной скорости модуляции, превышающей т.н. скорость Найквиста.

Традиционный метод увеличения информационной скорости при передаче дис кретных сообщений состоит в применении сигнальных конструкций с увеличенной позиционностью. Такой подход, с одной стороны, приводит к логарифмическому росту скорости передачи информации, но, с другой стороны, приводит к уменьше нию минимального евклидова расстояния между точками сигнального созвездия, что снижает помехоустойчивость телекоммуникационной системы.

Альтернативный метод повышения информационной скорости состоит в увели чении скорости модуляции, т.е. в уменьшении тактового интервала. Такой подход, в свою очередь, приводит к росту как средней, так и пиковой мощности, а также к возникновению МСИ, которая способствует ухудшению различимости различных вариантов сигнальных последовательностей.

Оптимальный подход состоит в определении наилучшего соотношения между позиционностью сигнальной системы и скоростью модуляции. Из материалов дан ной диссертационной работы следует, что при работе в каналах с ограниченной по лосой такой подход позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышен ной помехоустойчивостью, что, безусловно, является актуальной задачей.

Объект исследования. Объектом исследования данной диссертационной рабо ты являются последовательные (одноканальные) системы передачи дискретных со общений по каналам с МСИ, обусловленной различными физическими факторами.

Цели и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является разра ботка и исследование эффективных методов обработки сигнальных и сигнально кодовых конструкций при работе в каналах с МСИ различного типа применительно к последовательным (одноканальным) системам связи.

Задачами диссертационной работы являются:

1 – анализ существующих методов обработки сигнальных последовательностей при наличии МСИ;

2 – разработка и исследование методов улучшения характеристик демодулято ров при работе в каналах с МСИ;

3 – разработка и исследование методов декодирования сигналов с РКМ на осно ве свёрточных кодов;

4 – разработка и исследование методов декодирования сигналов с ТРКМ на ос нове турбо-кодов;

5 – исследование возможности и целесообразности передачи дискретных сооб щений с повышенной удельной скоростью модуляции.

Методы исследования. В работе используются методы теории вероятностей и теории случайных процессов, линейной алгебры, вариационного исчисления, мето ды теории оптимального приёма, а также методы современной теории помехоустой чивого кодирования. Проверка результатов исследования осуществлялась путём имитационного моделирования на компьютере с использованием языка технических вычислений MATLAB, а также языка С++.

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Обоснованность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач, решаемых в диссертационной работе, на основе известной модели канала связи с МСИ, в мате матическом смысле адекватной реальным каналам связи.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью исполь зования математического аппарата, сопоставлением с аналогичными результатами, полученными другими исследователями, а также сопоставимостью результатов, по лученных путём имитационного моделирования и аналитического расчёта, в т.ч.

соответствием дистанционных и вероятностных (статистических) характеристик помехоустойчивости.

Научная новизна результатов исследования. Научная новизна диссертацион ной работы состоит в следующем:

1. Предложен метод демодуляции сигнальных последовательностей при нали чии МСИ, предусматривающий на первом этапе проецирование принимаемой сиг нальной последовательности на некоторое конечномерное линейное подпростран ство, а на втором этапе – принятие решения на основе субоптимального алгоритма переборного типа.

2. Предложены методы двунаправленной демодуляции сигнальных пакетов с помощью выравнивателя с обратной связью по решению (ВОСР), а также с помо щью алгоритма Кловского-Николаева (АКН), с арбитражем на основе «мягких» ре шений, полученных при демодуляции в прямом и обратном направлениях.

3. Предложен алгоритм двунаправленного мягкого декодирования с ОСР по ко довой решётке для сигнальных последовательностей с решётчатой кодовой модуля цией (РКМ) на основе свёрточных кодов, при котором каждому предыдущему со стоянию (узлу) кодовой решётки ставится в соответствие свой регистр обратной связи, с последующим арбитражным принятием решения. При этом оценки сиг нальных амплитуд для регистров ОСР определяются на основе жёстких решений по максимуму правдоподобия из всех путей, входящих в данное состояние.

4. Предложена процедура декодирования по правилу максимума апостериорной вероятности (МАВ-декодирования) сигнальных последовательностей с турбо решётчатой кодовой модуляцией (ТРКМ) при наличии МСИ с использованием ОСР по кодовой решётке, которая предполагает формирование регистров обратной связи для каждого состояния кодовой решётки. При этом оценки сигнальных амплитуд для регистров ОСР определяются как апостериорное среднее по всем возможным путям, входящим в соответствующее состояние.

5. Предложена структура турбо-декодера сигнальных последовательностей с ТРКМ на основе указанного выше МАВ-декодера с ОСР по кодовой решётке, а так же традиционного МАВ-декодера, использующего процедуру турбо-выравнивания с подавлением МСИ.

6. Дано определение малопозиционной сигнальной системы как системы, при использовании которой для получения заданной удельной скорости передачи информации требуется повышенная, по сравнению с найквистовской, удельная скорость модуляции при меньшей позиционности сигнальной системы.

7. Показано, что для сигнальных последовательностей видеоимпульсов, моду лированных по амплитуде, для двухполосных сигнальных последовательностей с фазовой и квадратурной модуляцией, а также для последовательностей с турбо решетчатой кодовой модуляцией использование малопозиционных сигнальных систем не только возможно, но и целесообразно, поскольку позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышенной помехоустойчивостью.

Научные положения, выносимые на защиту 1. Переборный демодулятор на основе алгоритма Кловского – Николаева (АКН) обеспечивает несколько лучшие характеристики, чем выравниватель с обратной связью по решению (ВОСР), при этом энергетический выигрыш при сильно выра женной МСИ составляет до 1.5 дБ при вероятности ошибки на бит pb 104.

2. Применение обратной связи по решению (ОСР) существенно улучшает поме хоустойчивость алгоритма обобщённого максимального правдоподобия, несмотря на возникающий эффект размножения ошибок (энергетический выигрыш составляет от 1.5 дБ до 3 дБ при pb 104 ).

3. Применение двухэтапного демодулятора сигнальных последовательностей при наличии МСИ, который на первом этапе осуществляет проецирование принима емой сигнальной последовательности на конечномерное линейное подпространство, а на втором этапе – принятие решения на основе субоптимального алгоритма пере борного типа, обеспечивает энергетический выигрыш по сравнению с классическим одномерным случаем от 0, 8 дБ до 1,5 дБ при вероятности ошибки на бит pb 104 в каналах с МСИ различного типа.

4. Алгоритм двунаправленной демодуляции сигнальных пакетов с помощью ВОСР с арбитражем на основе «мягких» решений, полученных при демодуляции в прямом и обратном направлениях обеспечивает энергетический выигрыш по срав нению с однонаправленным случаем в пределах до 2 дБ при pb 104.

5. Применение алгоритма двунаправленного мягкого декодирования с ОСР по кодовой решётке с последующим арбитражем для сигнальных последовательностей с РКМ на основе свёрточных кодов позволяет обеспечить устойчивую работоспо собность в каналах с МСИ различного типа (энергетический выигрыш по отноше нию к системе без кодирования при демодуляции на основе ВОСР составляет не менее 3 дБ при pb 104 ).

6. Процедура МАВ-декодирования сигнальных последовательностей с ТРКМ в каналах с МСИ при использовании ОСР по кодовой решётке обеспечивает устойчи вое декодирование указанных последовательностей при наличии МСИ различного типа.

7. При наличии сильно выраженной МСИ применение турбо-декодера сигналь ных последовательностей с ТРКМ на основе указанного выше МАВ-декодера с ОСР по кодовой решётке, а также традиционного МАВ-декодера позволяет улучшить помехоустойчивость по сравнению с классическим турбо-выравнивателем с подав лением МСИ [Л. 4] (энергетический выигрыш составляет более 2 дБ при pb 105 ).

8. Подтверждена целесообразность использования малопозиционных сигналь ных и сигнально-кодовых конструкций с повышенной удельной скоростью модуля ции (с превышением скорости Найквиста).

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие содержание данной диссертационной работы, получены автором самостоятельно, и соответствуют пунктам 3, 8 и 11 паспорта специальности 05.12.13.

Практическая значимость и область применения результатов. Представ ленные в данной диссертационной работе алгоритмы демодуляции и декодирования сигнальных и сигнально-кодовых конструкций, а также соответствующие дистанци онные и вероятностные характеристики могут быть использованы при разработке высокоэффективных телекоммуникационных систем, предназначенных для работы в каналах связи с МСИ, обусловленной различными физическими факторами. При менение малопозиционных сигнальных систем с повышенной удельной скоростью модуляции позволит улучшить помехозащищённость телекоммуникационных си стем при работе в каналах с ограниченной полосой пропускания.

Внедрение результатов. Научные результаты, представленные в диссертации, использовались в следующих хоздоговорных НИР:

в НИР «Разработка одночастотного модема для пакетной передачи информа ции со скоростью 4800 бит/с, при возможном увеличении скорости до 9600 бит/с, по декаметровым радиоканалам малой и средней протяжённости» (шифр «Модем-КВ 1-ПГАТИ»), выполненной по договору № 18/04/10 от 14.01. 2005, между ОАО «Концерн Созвездие» (г. Воронеж) и ГОУВПО ПГАТИ;

в НИР «Системные исследования по определению рациональных путей со здания перспективной оперативной многоцелевой космической системы сбора и передачи данных (с наземных платформ и целевой аппаратуры КА наблюдения), разрабатываемой на базе космических комплексов дистанционного зондирования Земли социально-экономического и коммерческого назначения разработки ЦСКБ» (шифр «Самара-3»), проводимой ГНП РКЦ «ЦСКБ–Прогресс в соответствии с гос контрактом с Росавиакосмосом №353-5073/99 от 07.07.99 г.;

в НИР «Исследования возможности увеличения продолжительности сеансов передачи информации при пролёте КА в зоне видимости наземного пункта (НП) при малых углах места», шифр «Горизонт-3», проводимой ГНП РКЦ «ЦСКБ–Прогресс» в соответствии с госконтрактами с Росавиакосмосом № 353-2103/04 от 27.02.2004 г.

и № 353-0120/05 от 24.02.2005 г.;

в НИР «Разработка математических и вычислительных методов «слепой об работки сигналов (СОС) и изображений в системах радиотехники, связи и ДЗЗ», проводимой с 2009 г. и по настоящее время за счёт собственных средств ГНП РКЦ «ЦСКБ–Прогресс»;

в НИР «Разработка способов повышения качества передачи дискретных со общений в сетях сотовой связи стандарта GSM 900/1800» выполненной по договору № 01-03-03-875 от 24.11.2003 между ОАО СМАРТС» (г. Самара) и ГОУВПО ПГА ТИ (ПГУТИ).

в НИР «Организация и проведение натурных испытаний макета многорежим ного модема КВ-диапазона, разработка демонстрационных материалов» (шифр «ДЕМО»), выполненной по договору № 2/10/01-03-01-93 от 15.03.2010 между ОАО СМАРТС» (г. Самара) и ГОУВПО ПГУТИ.

Использование результатов данной диссертационной работы в указанных выше НИР подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы прошли апробацию на 55 научно-технических конференциях, в том числе:

на XXXVI, LI, LII и LVIII научных сессиях НТОРЭС им А.С. Попова;

на VII, VIII, X, XI и XV МНТК «Радиолокация, навигация и связь»;

на III,V,VI,VII МНТК «Фи зика и технические приложения волновых процессов».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основная часть работы содержит 305 страницу текста, в том числе 85 рисунков и 4 таблицы. В список литературы внесено 219 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, её актуальность, научная но визна, сформулированы цели и задачи исследования В первой главе диссертационной работы, которая носит обзорный характер, показано, что МСИ может привести к нарушению взаимной ортогональности еди ничных элементов сигнальной последовательности t k T при её прохождении через канал связи, или, что эквивалентно, к нарушению свойства отсчётности авто корреляционной функции (АКФ) единичного СЭ:

kT t, t k T 0;

k 1, 2, 3....., (1) где t – АКФ единичного СЭ, T – тактовый интервал.

Это явление приводит к ухудшению различимости различных сигнальных по следовательностей, т.е. минимальный квадрат расстояния между различными сиг нальными последовательностями (дистанционная характеристика) уменьшается по сравнению со случаем ортогональных сигналов:

min 0 ;

dmin min sk t s j t l (2) m, m, k, j k j m где s k t, s j t варианты сигнальных последовательностей, m, l – квадрат евкли дова расстояния между точками сигнального созвездия, 0 E – энергия еди ничного СЭ.

В данной главе приводится модель канала связи с МСИ, обусловленной как многолучевым распространением в канале, так и ограничением его полосы пропус кания. В этом случае вектор-функция принимаемого сигнала на выходе низкоча стотного эквивалента канала определяется следующим образом:

L Z t bml t lT N t (3) l где bm – амплитуды СЭ, m 0;

M 1 номер варианта амплитуды СЭ;

M – позици l онность сигнальной системы;

N t – вектор-функция канального шума, а элементы вектор-функции единичного СЭ t определяются с учётом многолучевого рас пространения в канале:

P j t jp t p g j t, (4) p 1 где t – определяет СЭ на выходе передающего фильтра, p – задержку луча с номером p 1;

P, jp – комплексный коэффициент передачи по данному лучу со ставляющей сигнала с номером j, g j t – импульсная характеристика соответ ствующего приёмного фильтра.

Кроме того, приводится фрагмент расширенного канала связи, который включа ет в себя многомерный адаптивный согласованный фильтр (МАСФ), последова тельность отсчётов на выходе которого y представляет собой набор достаточных статистик для вектор-функции (3).

В данной главе приводятся также алгоритмы функционирования демодулято ров, предназначенных для работы в таких каналах, в том числе алгоритм макси мального правдоподобия:

M l L ml arg max w Z t bl bm arg max w Z t b bm ;

b bk ;

t Ta, (5) l l m k m где b l – амплитуда демодулируемого СЭ с номером l, bl – вектор амплитуд со провождающих СЭ (с учётом всего сигнального пакета), k – номер его варианта, интервал анализа Ta равен длительности сигнального пакета.

Если в (5) выделить максимальное слагаемое, ограничить Ta интервалом вре менного рассеяния единичного СЭ, применить ОСР, то от (5) можно перейти к алго ритму приёма в целом с поэлементным принятием решения, известному как АКН:

m arg min min Z t S t;

bm, b k l l l, (6) m k где элементы вектор-функции Z t определяются с учётом действия ОСР:

l Q b t T, Z j t Z j t (7) j l где, в свою очередь, Q – интервал рассеяния единичного СЭ (память канала), выра женный в тактовых интервалах.

Кроме того, в данной главе рассмотрены демодуляторы, в основу которых по ложены методы линейной коррекции, в т.ч. линейный выравниватель (ЛВ), и вырав ниватель с ОСР (ВОСР), оптимизированные по критерию минимума СКО.

Здесь же приводятся аналитические выражения для вероятностных характери стик основных типов приведённых демодуляторов, а также соответствующих ди станционных характеристик.

Применительно к алгоритму (6) такая характеристика определяется при без ошибочной (идеальной) ОСР, как определённое на интервале анализа минимальное расстояние между всеми возможными вариантами принимаемых сигнальных после довательностей, которые отличаются позициями сигнального элемента с номером l :

d min min S t;

bm, bk S t;

b, b.

l l l l (8) m m,, k, Для демодуляторов на основе выравнивающих фильтров (ВФ) аналогичная ха рактеристика определяется следующим образом:

m, d eq min. (9) m, где – дисперсия шумовой помехи на выходе ВФ, обусловленной как канальным шумом, так и остаточной МСИ.

Рис. 1. Характеристики помехоустойчивости при работе в двухлучевом ка нале связи с лучами равной интенсивности ( 1 2 1, 1.5T ) при использова нии двоичной системы противоположных сигналов при 2 Бод/Гц:

1 – приём при принудительном подавлении МСИ (потенциальная кривая);

2 – демодуляция по субоптимальному алгоритму переборного типа без ОСР;

3 – демодуляция в соответствии с АКН при идеальной обратной связи;

4 – демодуляция в соответствии с АКН при реальной ОСР.

Основным результатом исследований, приведённых в данной главе, являются характеристики качества ряда демодуляторов в каналах с МСИ.

На рис. 1 приведены вероятностные (статистические) характеристики субопти мальных демодуляторов переборного типа, полученные методом имитационного моделирования для двухлучевого канала. Из представленных результатов следует, что применение ОСР позволяет улучшить характеристики таких демодуляторов, несмотря на риск размножения ошибок в цепи обратной связи.

Данный тезис подтверждается также дистанционными характеристиками, полу ченными аналитическим путём и представленными первой главе.

В диссертационной работе также представлены аналогичные характеристики, демонстрирующие справедливость подобного тезиса и для демодуляторов на основе ВФ, что подтверждает результаты, известные в литературе [Л. 2].

На рис. 2 представлены характеристики различных методов демодуляции в ка нале с МСИ, обусловленной как повышенной удельной скоростью модуляции, так и многолучевым распространением. Из представленных результатов следует, что АКН обеспечивает несколько лучшие характеристики, чем выравниватель с об ратной связью по решению (ВОСР), однако уступает алгоритму Витерби с неог раниченной задержкой.

Рис. 2. Характеристики помехоустойчивости при работе в двухлучевом ка нале связи ( 1 2 1, 1.5T ) при 2 2 3 Бод/Гц:

1 – потенциальная кривая;

2 – демодуляция сигнального пакета по алгоритму Витерби с задержкой в при нятии решения, равной длине пакета (приём в целом);

3 – демодуляция сигнального пакета в соответствии с АКН;

4 – демодуляция сигнального пакета ВОСР по критерию минимума СКО.

Во второй главе приводятся результаты разработки и анализа методов повы шения помехоустойчивости поэлементных демодуляторов с ОСР, предназначенных для работы в каналах с МСИ (без применения корректирующих кодов).

В том числе рассматривается демодулятор, предусматривающий принятие ре шения относительно демодулируемого сигнального элемента в два этапа:

первый этап, на котором осуществляется проецирование принимаемой сиг нальной последовательности на некоторое конечномерное линейное подпростран ство K 1 ;

второй этап, на котором осуществляется принятие решения на основе субо птимального алгоритма переборного типа с учётом корреляционных свойств векто ра проекции аддитивной помехи на пространство K 1.

Структурная схема аналоговой модели соответствующего демодулятора пред ставлена на рис. 3. В её состав входят МАСФ, линия задержки с элементами обрат ной связи по решению, K 1 сумматоров, к входам каждого из которых подключе ны соответствующие перемножители, на одни входы которых подаются весовые Рис. 3. Структурная схема демодулятора на основе МТВФ.

коэффициенты соответствующего ВФ k, а вторые входы подключены к соответ ствующим отводам упомянутой линии задержки, которая совместно с сумматорами и весовыми элементами образует многомерный трансверсальный выравнивающий фильтр (МТВФ). Величины xkl (координаты проекции принимаемого сигнала на K 1 ) подаются на блок принятия решения (БПР), который принимает решение на основе поиска минимума квадратичной формы:

ml arg min xH w H bml ;

bl 1 x w bml ;

bl (10) m, где x – вектор-столбец координат указанной проекции;

w bml ;

bl – вектор-столбец координат проекции опорного сигнала;

– ковариационная матрица проекции со вокупной аддитивной помехи, обусловленной как канальным шумом, так и остаточ ной МСИ;

bm – один из возможных вариантов амплитуды демодулируемого СЭ;

l m 0;

M 1 ;

bl bl 1.. bl k.. bl K – вектор амплитуд сопровождающих СЭ;

1;

M K, – символ эрмитова сопряжения.

H Рис. 4. Характеристики демодуляторов с ОСР для канала с импульсной характери стикой 0, 407 0,815 0, 407 :

1 –потенциальная кривая;

2 – одномерное выравнивание ( K 0 ) идеальная ОС;

3 – одномерное выравнивание ( K 0 )реальная ОСР;

4 – многомерное выравнивание ( K 3 ) идеальная ОС;

5 – верхняя аддитивная граница для кривой 4, полученная аналитически;

6 – многомерное выравнивание ( K 3 ) реальная ОСР.

Результаты имитационного моделирования, а также аналитических расчётов по казывают, что применение многомерного выравнивания позволяет улучшить поме хоустойчивость демодулятора по сравнению с одномерным случаем при работе в каналах с МСИ различного типа. При этом энергетический выигрыш находится в пределах от 0,8 до 1,5 дБ при pb 104.

С целью получения результатов, сопоставимых с известными, было проведено имитационное моделирование, а также осуществлён аналитический расчёт характе ристик демодуляторов с ОСР на основе одномерного и многомерного ВФ примени тельно к системе противоположных сигналов для канала с импульсной характери стикой 0, 407 0,815 0, 407, предложенной в [Л. 1]. Соответствующие характе ристики помехоустойчивости представлены на рис. 4.

При этом следует отметить, кривые 2 и 3, соответствующие одномерному слу чаю, совпадают с аналогичными характеристиками, представленными в [Л. 2], при чём кривая 2, соответствующая идеальной ОСР, совпадает с результатами аналити ческого расчёта. Кривая 5 представляет собой верхнюю аддитивную границу веро ятности ошибки при многомерном выравнивании с идеальной ОСР, полученную аналитическим путём.

Кроме того, в данной главе рассматривается процедура демодуляции сигналь ных пакетов при использовании метода двунаправленного выравнивания с обратной связью и арбитражным принятием решения. В основе данного метода лежит то, что при выравнивании с ОСР в прямом и обратном направлениях соответствующие шу мовые отсчёты на выходе ВФ представляют собой различные, хотя и коррелирован ные случайные величины. В силу данного обстоятельства значительная часть оши бочных решений, полученных при демодуляции в прямом и обратном направлениях, не совпадают, что подтверждается кривой 3, представленной на рис. 5.

Процедура двунаправленной демодуляции выглядит следующим образом.

Сначала осуществляется демодуляция сигнального пакета в прямом и обратном направлениях, в результате чего формируются соответствующие векторы жёстких b и b, а также мягких решений x и x.

Затем проводится последовательное сравнение жёстких решений. Совпадающие решения с высокой степенью достоверности можно считать правильными. В случае несовпадения предварительных решений осуществляется арбитраж.

Особенностью представленных здесь двух арбитражных алгоритмов является то, что они не требуют реконструкции сигнала на входе демодулятора, как это дела ется в [Л. 2]. Арбитраж между решениями, не совпадающими при демодуляции па кета в прямом и обратном направлениях, осуществляется на основе векторов мягких l l решений x и x, полученных из x и x путём компенсации действия ОСР.

l l 1 l Larb l l 1 l Larb l l Векторы x x x... x и x x x... x включают в себя отсчёты с выходов прямого и обратного ВФ, взятых на соответствующих арбитраж ных интервалах анализа, длина которых определяется исходя из реализационных соображений.

При использовании первого из предложенных арбитражных алгоритмов реше ние относительно сомнительного СЭ с номером l принимается на основе полного перебора всех сопровождающих СЭ на арбитражных интервалах анализа:

l l 2 l l l l l b arg min x w bm, b k x w bm, b, (11) m, k, – векторы отсчётов опорных сигналов, определённые на где w bml, bkl, w bml, bl соответствующих интервалах анализа;

bml – вариант амплитуды сомнительного СЭ;

b k, b векторы амплитуд сопровождающих СЭ на соответствующих интервалах l l анализа;

k 1;

M Larb ;

1;

M Larb.

Другой подход к процедуре арбитража состоит в том, что в процессе принятия решения рассматриваются только две возможных альтернативы, которые определя ются векторами решений о СЭ, полученными при демодуляции в прямом и обрат ном направлениях:

l 2 l ^ l l ^ l l l b b,b x w b,b x w l 2 l ^ l l ^ l l l b x w b, b x w l b, b, l (12) l l b – решения, принятые относительно СЭ с номером l, принятые при где b ^ l ^ l демодуляции в прямом и обратном направлениях, b и b – соответствующие век торы решений относительно сопровождающих СЭ.

На рис. 5 представлены характеристики помехоустойчивости одно- и двуна правленных демодуляторов с ОСР для канала с импульсной характеристикой 0, 227 0, 46 0,688 0, 46 0, 227, предложенной в [Л.1], и использованной также в [Л.2]. Кривая 2 характеризует помехоустойчивость при выравнивании с ОСР как в прямом, так и в обратном направлениях. При этом следует отметить, что в статисти ческом смысле указанные характеристики совпадают, однако при демодуляции кон кретного сигнального пакета значительная часть ошибочных решений не совпадает, что подтверждается кривой 3. Из сопоставления кривых 4 и 5 следует, что перебор ный арбитражный алгоритм (11) обеспечивает несколько лучшую помехоустойчи вость, чем алгоритм (12), при котором рассматриваются только две возможные аль тернативы (энергетический выигрыш составляет около 0,8 дБ при pb 104 ).

Рис. 5. Характеристики одно- и двунаправленных демодуляторов с ОСР для канала с импульсной характеристикой 0, 227 0, 46 0,688 0, 46 0, 227 :

1 – потенциальная кривая;

2 – однонаправленное выравнивание;

3 – кривая совпа дающих ошибок;

4 – двунаправленное выравнивание с арбитражем по алгоритму (11);

5 – двунаправленное выравнивание с арбитражем по алгоритму (12).

Наряду с алгоритмом двунаправленного выравнивания в данной главе также рассматривается двунаправленная демодуляция на основе субоптимального алго ритма переборного типа АКН. Показано, что при использовании такого алгоритма помехоустойчивость в существенной мере зависит от варианта комбинации сопро вождающих СЭ, следующих за демодулируемым в пределах интервала анализа, что также приводит к слабой корреляции ошибок при демодуляции в прямом и обрат ном направлениях. Применение относительно несложного энергетического арбит ражного алгоритма позволило получить энергетический выигрыш около 1 дБ при pb 104 по сравнению с однонаправленным демодулятором.

Наряду с алгоритмами демодуляции в данной главе также рассматривается про блема адаптации выравнивающих фильтров при работе в каналах с изменяющимися параметрами.

В третьей главе диссертационной работы рассматриваются алгоритмы декоди рования сигнальных последовательностей с решетчатой кодовой модуляцией – РКМ (trellis coded modulation – TCM) на основе свёрточных кодов.

В начале главы приведены результаты моделирования системы, включающей в себя ВОСР с мягким выходом, а также мягкий декодер Витерби, функционирующие раздельно. Из представленных результатов следует, что в такой системе имеет место сильно выраженный эффект размножения ошибок. Указанный эффект можно объ яснить тем, что в данном случае размножение ошибок идёт не только по сигнальной решётке, обусловленной МСИ, но и по решётке свёрточного кода. Кроме того, необ ходимо учесть, что процедура РКМ сопровождается уменьшением евклидова рас стояния между точками сигнального созвездия, а также, то, что при раздельной си стеме демодулятор-декодер цепь ОСР не защищена корректирующим кодом.

С учётом приведённых обстоятельств предложен алгоритм мягкого декодирова ния РКМ-последовательностей с ОСР по кодовой решётке, в основе которого лежит метод совмещения алгоритма Витерби и выравнивателя с обратной связью по реше нию (ВОСР). Алгоритм функционирует следующим образом.

С выхода МАСФ вектор отсчётов y подаётся на ВФ, который подавляет пред действия СЭ, сдвинутых друг относительно друга на целое число тактовых интерва лов. При этом вычитание последействий от предыдущих сигнальных элементов на выходе ВФ не осуществляется, а производится позже в процессе мягкого декодиро вания по кодовой решётке.

На каждом шаге декодирования каждому исходному состоянию кодовой ре шётки соответствует свой регистр обратной связи по решению РОСР, в котором записан соответствующий вектор оценок амплитуд предшествующих СЭ.

Указанные векторы образуют матрицу регистров обратной связи:

l l 1 l 2 l Q b sl 0 bsl 0 bsl 0... bsl l b sl 1 bsll1 bsll1... bsll1, 1 Q B (13) l......

l l 1 l 2 l Q b sl S 1 bsl S 1 bsl S 1... bsl S где l – номер шага декодирования, s – номер предыдущего состояния, которому l соответствует данный регистр, S – число состояний кодовой решётки.

Для каждого предыдущего состояния на основе соответствующей строки мат рицы (13) формируется свой вариант сигнального отсчёта:

T Q xsll xl b sl xl bsll q q, (14) q где xl – сигнальный отсчёт с выхода ВФ;

b sl – вектор-столбец оценок амплитуд, содержащийся в РОСР состояния s ;

T 1 2... Q – вектор отсчётов по l следействия единичного СЭ на выходе ВФ, – символ транспонирования.

T На каждом шаге декодирования принимается решение относительно выжившего пути, входящего в каждое из возможных состояний s 0;

S 1 :

l sl 1 arg min Ds2l 1, r, (15) r где r 0;

R 1 – номер ребра, входящего в состояние s l 1 ;

Ds2l 1, r – полная евкли дова метрика соответствующего пути;

R – общее число рёбер, входящих в каждое из состояний кодовой решётки.

По данному алгоритму также осуществляется принятие решения относительно оценки сигнальной амплитуды для РОС, соответствующего состоянию s l 1 :

bsll1 bsl 1,, где определяется в соответствии с (15).

Дальнейшее улучшение характеристик декодеров сигнальных пакетов с РКМ связано с применением двунаправленного декодирования с последующим арбит ражным принятием решения.

Структурная схема соответствующего приёмного устройства приведена на рис.

6. В её состав входят многомерный адаптивный согласованный фильтр МАСФ, пря мой и обратный выравнивающие фильтры ПВФ и ОВФ, прямой и обратный мягкие декодеры Витерби с ОСР по кодовой решётке ПМДВ и ОМДВ, блок арбитражного принятия решения БАПР, а также буферная память БП.

Рис. 6. Структурная схема приёмного устройства с двунаправленным декодиро ванием и арбитражным принятием решения.

Процедура декодирования выглядит следующим образом.

На первом этапе осуществляется декодирование сигнального пакета в прямом и обратном направлениях декодером Витерби с ОСР по кодовой решётке, в результате чего фиксируются две последовательности состояний s и s, характеризующих со ответствующие пути по кодовой решётке;

а также соответствующие последователь ности жёстких d, d и мягких x, x решений.

Совпадающие отрезки путей считаются достоверными, и по ним принимаются окончательные решения относительно соответствующих отрезков информационной последовательности, а также относительно соответствующих сигнальных амплитуд.

Для несовпадающих отрезков путей последовательности состояний, через кото рые проходят выжившие пути по кодовой решётке при декодировании в прямом и обратном направлениях, различны:

sL1, L2 sL1, L2 ;

(16) где L1 и L2 определяют начало и конец несовпадающего отрезка.

Окончательное принятие решения относительно несовпадающих отрезков путей осуществляется в соответствии с арбитражным алгоритмом:

2 2 2 HH x L1, L2 w b L1, L2 x L1, L2 w b L1, L2 x L1, L2 w b L1, L2 x L1, L2 w b L1, L2, (17) где элементы векторов отсчётов x L1, L2, x L1, L2 вычисляются путём компенсации дей ствия ОСР, которая осуществлялась при демодуляции в прямом и обратном направ лениях, в соответствии с соотношением (14);

H, H – статистические гипотезы, соот ветствующие последовательностям состояний sL1, L2 и sL1, L2 ;

w b L1, L2 и w b L1, L2 – соответствующие опорные векторы.

Рис. 7. Характеристики помехоустойчивости различных методов декодирования при работе в связи с импульсной характеристикой 0, 407 0,815 0, 407 :

1 – ФМ-4 без кодирования, потенциальная кривая;

2 – ФМ-4 без кодирования, демо дуляция с помощью ВОСР;

3 – раздельная система ВОСР – мягкий декодер Витерби (ФМ-8, свёрточный код, R 2/3, реальная ОС);

4 – однонаправленное декодирова ние с ОСР по кодовой решётке;

5 – двунаправленное декодирование с арбитражным принятием решения.

На рис. 7 представлены характеристики некоторых сигнальных систем и мето дов декодирования для канала с импульсной характеристикой, предложенной в [Л.

1]. Из их анализа следует, что применение мягкого декодирования с ОСР по кодовой решётке (кривая 4) позволяет существенно ослабить негативный эффект размноже ния ошибок, свойственный раздельной системе ВОСР – мягкий декодер Витерби (кривая 3). Применение двунаправленного декодирования с арбитражем по алго ритму (17) позволяет получить дополнительное улучшение помехоустойчивости (кривая 5), при этом энергетический выигрыш по отношению к системе ФМ-4 без кодирования при демодуляции на основе ВОСР составляет не менее 3 дБ.

В данной главе также была рассмотрена двухэтапная процедура мягкого деко дирования свёрточных кодов при наличии перемежения кодовых символов в кана лах с МСИ. На первом этапе данной процедуры с помощью переборного алгоритма с обратной связью по решению (АКН) осуществляется вычисление первичных мет рик на локальных интервалах анализа, которые на втором этапе после деперемеже ния используются мягким декодером Витерби.

Имитационное моделирование предложенного двухэтапного мягкого декодера применительно к обработке «нормальных» пакетов в рамках системы мобильной связи стандарта GSM, показало, что применение такого подхода позволяет прибли зиться к потенциальным характеристикам сигнальной системы.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена проблемам обработки сигнальных последовательностей с турбо-решетчатой кодовой модуляцией (ТРКМ) при работе в каналах с МСИ.

В данной главе была рассмотрена процедура декодирования ТРКМ-сигналов, сформированных по системе Робертсона и Вёрца [Л. 3].

Приёмное устройство таких сигналов (рис. 8) включает в себя МАСФ, прямой и обратный выравнивающие фильтры (ОВФ и ПВФ), первый из которых подавляет преддействия, а второй – последействия сигнальных элементов принимаемой после довательности на основе критерия минимума СКО, и буферную память БП.

Рис. 8. Структурная схема приёмника для сигналов с ТРКМ при наличии МСИ.

Сформированные последовательности отсчётов с выходов МАСФ, ПВФ и ОВФ используются турбо-декодером ТД, структурная схема которого представлена на рис. 9. Основу турбо-декодера составляют два посимвольных декодера RSC-кода, работающих по правилу максимума апостериорной вероятности (МАВ), в том числе верхний декодер с обратной связью по кодовой решётке – МАВОСР, а также ниж ний декодер с турбо-выравниванием МАВТВ. На каждой итерации декодеры рабо тают поочерёдно: сначала верхний декодер, потом нижний декодер.

Задачей верхнего МАВ-декодера является формирование последовательностей априорных вероятностей информационных символов Apr1 D, априорных вероят ностей сигнальных амплитуд Apr1 b, а также последовательности оценок указан ных сигнальных амплитуд b1. При этом МАВОСР использует последовательности отсчётов с выходов ПВФ и ОВФ. Необходимо отметить, что ОСР по кодовой ре шётке предполагает формирование регистров обратной связи для каждого состояния Рис. 9. Структурная схема итеративного турбо-декодера для сигналов с ТРКМ.

кодовой решётки. Оценки сигнальных амплитуд для регистров ОСР определяются как апостериорное среднее по всем возможным путям, входящим в соответствую щее состояние s :

l l R l 1 o l s r,sl 1 r, sl 1 br, sl l l l bsl 1 br, sl 1 r l, (18) l R l 1 o l s rl,sl 1 r, sl r где rl,sl 1 – вероятностные метрики предыдущих состояний, связанных с состояни o l ем s l 1 через ребро с номером r, а r, sl 1 – вероятностные метрики рёбер кодовой решётки, входящих в состояние s l 1, вычисленные с учётом действия ОСР.

При обратном проходе оценка амплитуд СЭ для цепи ОСР осуществляется ана логично.

Далее вычисляется матрица функций правдоподобия рёбер кодовой решётки, элементы которой определяются как произведение ответствующих функций прав доподобия, полученных при прямом и обратном проходах:

s,r s,r s,r, l l l (19) на основе которых определяются усреднённые вероятностные метрики (апостериор ные вероятности) рёбер:

l o l r,sl 1 sl, r App rsl, sl 1 x, l l (20) после чего осуществляется обычное МАВ-декодирование сигнального пакета (уже без использования ОСР). При этом формируются последовательности априорных вероятностей информационных символов Apr1 D, априорных вероятностей сиг нальных амплитуд Apr1 b, а также последовательности оценок указанных сиг нальных амплитуд b1.

Первые две из перечисленных выше последовательностей через перемежители П2 и П3 соответственно подаются на априорные входы нижнего декодера МАВТВ, а последовательность оценок сигнальных амплитуд b с выхода верхнего декодера подаётся на блок подавления межсимвольной интерференции БПМСИ, который, используя оценки амплитудных значений принимаемой сигнальной последователь ности, сформированные верхним декодером, очищает последовательность доста точных статистик y, поступающую с выхода МАСФ от последействий и преддей ствий всех сигнальных элементов последовательности. В результате формируется o очищенная от МСИ последовательность y, которая подаётся на сигнальный вход нижнего декодера, который функционирует как обычный МАВ-декодер ТРКМ последовательностей при отсутствии МСИ [Л. 3].

В начале следующей итерации нижний декодер передаёт верхнему декодеру априорную (внешнюю) информацию об информационных символах и сигнальных и Apr b ).

амплитудах (последовательности априорных вероятностей Apr2 dl l Указанные последовательности вероятностей соответственно через деперемежители ДП1 и ДП2 подаются на априорные входы верхнего декодера, который функциони рует так, как это описано выше. Необходимо отметить, что, начиная со второй ите рации, оценки сигнальных амплитуд для цепи ОСР по кодовой решётке осуществ ляются с учётом априорных сведений, поступивших с нижнего МАВ-декодера.

Для сравнительного анализа качественных показателей представленного выше турбо-декодера в диссертационной работе также приведены характеристики класси ческого турбо-выравнивателя с подавлением МСИ [Л. 4].

Рис. 10. Вероятностные характеристики различных методов декодирования в двухлучевом канале с лучами равной интенсивности ( 1 2 1, 1.5T, система ФМ-4, турбо-код с относительной скоростью R 1/2 на основе RSC - кода (7,5), удельная скорость модуляции 2 2 3 Бод/Гц): 1 – для предложенного турбо декодера (рис. 10);

2 – для классического турбо-выравнивателя на основе ЛВ.

Турбо-выравниватель подобного типа на первой итерации использует последо вательность отсчётов с выхода двустороннего линейного выравнивателя (ЛВ). На последующих шагах итерационного процесса используется рассмотренная выше процедура турбо-выравнивания с подавлением МСИ с обменом априорной инфор мацией о сигнальных амплитудах, а также значениями оценок указанных сигналь ных амплитуд.

Из материалов данной главы следует, что при умеренной МСИ характеристики предложенного турбо-декодера (рис. 9) и турбо-выравнивателя с подавлением МСИ практически идентичны. С другой стороны, при более существенной МСИ преиму щество предложенного декодера становится более ощутимым. В качестве примера на рис. 10 приведены характеристики турбо-декодеров обоего типа применительно к двухлучевому каналу при повышенной удельной скорости модуляции.

Представленные характеристики качества указывают на перспективность при менения предложенного турбо-декодера при работе в каналах с сильно выраженной МСИ различной физической природы.

В пятой главе диссертационной работы рассматриваются проблемы передачи дискретных сообщений по каналам с ограниченной полосой пропускания с повы шенной удельной скоростью модуляции, превышающей т.н. скорость Найквиста.

Здесь следует отметить, что традиционный метод увеличения информационной ско рости состоит в применении сигнальных конструкций с увеличенной позиционно стью. Такой подход, с одной стороны, приводит к логарифмическому росту скоро сти передачи информации, но, с другой стороны, приводит к уменьшению мини мального евклидова расстояния между точками сигнального созвездия, что снижает помехоустойчивость телекоммуникационной системы.

Альтернативный метод повышения информационной скорости состоит в увели чении скорости модуляции, т.е. в уменьшении тактового интервала T. Такой под ход, в свою очередь, приводит к росту как средней, так и пиковой мощности, а так же к возникновению МСИ, которая способствует ухудшению различимости различ ных вариантов сигнальных последовательностей.

Оптимальный подход состоит в определении наилучшего соотношения между позиционностью сигнальной системы и скоростью модуляции.

В этом плане в данной главе было дано следующее определение:

Малопозиционными системами сигналов мы будем называть такие систе мы, при использовании которых для получения заданной удельной скорости передачи информации требуется повышенная, по сравнению с найквистовской, удельная скорость модуляции при меньшей позиционности сигнальной системы M.

Иными словами, для малопозиционных систем справедливо соотношение:

M 2 N, где – удельная скорость передачи информации, N 2 Бод/Гц – удель ная скорость модуляции Найквиста.

В различных публикациях была показана принципиальная возможность переда чи «быстрее Найквиста», например, в [Л.5]. В представленной диссертационной ра боте исследуется не только возможность, но и целесообразность применения мало позиционных сигналов в телекоммуникационных системах.

Основной задачей данной главы является сравнительный анализ дистанционных и вероятностных характеристик качества малопозиционных сигнальных конструк ций при различных значениях удельной скорости модуляции, и, как следствие, при различной степени интенсивности сопутствующей МСИ.

На рис. 11 представлены две зависимости нормированной дистанционной ха рактеристики d 2 от удельной скорости модуляции для двоичной системы проти воположных сигналов, соответствующие различным характерам спада спектра АКФ относительно точки f F. Отметим, что характеристика 1, соответствующая иде альному ФНЧ, повторяет известный результат, представленный в работе Мазо [Л.

5], что позволяет сопоставить полученные результаты.

Рис. 11. Зависимость нормированной дистанционной характеристики d 2 от удель ной скорости модуляции (Бод/Гц) применительно к двоичной системе противопо ложных сигналов при длине сигнальной последовательности L 14 :

1 – для импульса с прямоугольным спектром;

2 – для импульса с косинусоидальным спадом спектра (при полосе спада 2 F F ).

На рис. 12 приведены зависимости дистанционной характеристики от величины для различных вариантов последовательностей видеоимпульсов, модулированных по амплитуде при фиксированной средней мощности сигнальной последовательно сти. Анализ представленных характеристик позволяет сделать вывод о том, что дво ичная система противоположных сигналов обладает преимуществом в полосе зна чений удельной скорости передачи информации от 2 (бит/с)/Гц до 3. (бит/с)/Гц.

При значениях от 3.5 (бит/с)/Гц до 5.1 бит/с Гц является предпочтительной трёхуровневая АМ, а при удельной скорости передачи информации более 5. (бит/с)/Гц наилучшей помехоустойчивостью обладает четырёхуровневая система сигналов.

В данной главе показано, что при 2 Бод/Гц 3,5 Бод/Гц передача дискрет ных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции не только возможна, но и целесообразна, поскольку позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышенной помехоустойчивостью.

Рис. 12. Зависимости нормированной дистанционной характеристики d от удельной скорости передачи информации (бит/с)/ Гц при фиксированной средней мощности сигнальной последовательности длины L 14 :

1 – для двоичной системы противоположных сигналов;

2 – для трёхуровневой АМ;

3 – для четырёхуровневой АМ.

Этот тезис подтверждён не только для последовательностей видеоимпульсов, модулированных по амплитуде, но и для двухполосных сигнальных последователь ностей с фазовой и квадратурной модуляцией, а также для последовательностей с турбо-решетчатой кодовой модуляцией.

В заключении приведены итоговые результаты диссертационной работы:

проведён анализ ряда известных демодуляторов, предназначенных для работы в каналах с МСИ, в том числе субоптимальных демодуляторов переборного типа, а также демодуляторов, в основе которых лежат методы линейной коррекции;

предложен ряд алгоритмов демодуляции для каналов с МСИ, в том числе двухэтапный демодулятор на основе многомерного выравнивателя, двунаправлен ный демодулятор на основе ВОСР и двунаправленный демодулятор на основе АКН;

для сигнальных последовательностей с решетчатой кодовой модуляцией предложен двунаправленный алгоритм мягкого декодирования с ОСР по кодовой решётке и последующим арбитражем, а также алгоритм мягкого декодирования, предназначенный для телекоммуникационных систем со свёрточным кодированием и перемежением символов, предполагающий на первом этапе вычисление с помо щью АКН первичных метрик на локальных интервалах анализа, и осуществляющий на втором этапе мягкое декодирование по Витерби;

предложена процедура декодирования ТРКМ последовательностей при работе в каналах с МСИ. В основе данной процедуры лежит двунаправленное выравнива ние с ОСР по кодовой решётке, а также использование турбо-выравнивания с по давлением МСИ;

показано, что передача дискретных сообщений с повышенной удельной ско ростью модуляции не только возможна, но и целесообразна, поскольку позволяет синтезировать сигнальные конструкции с повышенной помехоустойчивостью.

Публикации. Список публикаций по теме диссертации включает 82 наимено вания, в том числе:

15 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Хабаров, Е. О. Улучшение помехоустойчивости выравнивателя с обратной связью по решению за счёт двунаправленной демодуляции сигнальной последова тельности [Текст] / Е. О. Хабаров // Инфокоммуникационные технологии. – 2006.

– Т. 4, № 1. – С. 63 –68.

2. Хабаров, Е. О. Выравниватель с обратной связью по решению, многомер ным выходом и последующей субоптимальной обработкой [Текст] / Е. О. Хабаров // Успехи современной радиоэлектроники. – 2006. – № 5. – С. 5 –16.

3. Хабаров, Е. О. Анализ характеристик двунаправленного выравнивателя с об ратной связью по решению при работе в каналах с МСИ [Текст] / Е. О. Хабаров // Электросвязь. – 2006. – № 12. – С. 24 – 27.

4. Хабаров, Е. О. Выравнивание с обратной связью по решению в многолучевом канале с замираниями при повышенной удельной скорости модуляции [Текст] / Е.

О. Хабаров // Радиотехника. – 2006. – № 12. – С. 22 –29.

5. Хабаров, Е. О. Проблемы мягкого декодирования свёрточных кодов при перемежении символов для каналов с межсимвольной интерференцией [Текст] / Е.

О. Хабаров // Успехи современной радиоэлектроники. – 2007. – № 4. – С. 46 –50.

6. Хабаров, Е. О. Особенности двунаправленного выравнивания с решающей обратной связью и арбитражным принятием решения [Текст] / Е. О. Хабаров // Успехи современной радиоэлектроники. – 2007. – № 6. – С. 43 –50.

7. Хабаров, Е. О. Двунаправленная демодуляция сигнальных пакетов при ис пользовании переборного алгоритма в каналах с МСИ [Текст] / Е. О. Хабаров // Электросвязь. – 2008. – № 2. – С. 40 – 44.

8. Хабаров, Е. О. Сравнительный анализ некоторых алгоритмов демодуляции в каналах с межсимвольной интерференцией [Текст] / Е. О. Хабаров // Инфокомму никационные технологии. – 2008. – Т. 6, № 1. – С. 19 –23.

9. Хабаров, Е.О. Анализ влияния обратной связи по решению при обработке сигналов в каналах с межсимвольной интерференцией на ограниченном интервале анализа [Текст] / А. А. Малютин, Е. О. Хабаров // Инфокоммуникационные техно логии. – 2008. – Т. 6 № 1. – С. 44 –49.

10. Хабаров, Е. О. Анализ характеристик ряда алгоритмов демодуляции в каналах с межсимвольной интерференцией [Текст] / Е. О. Хабаров // Электросвязь. – 2008. – № 5. – С. 50 – 54.

11. Хабаров, Е.О. Анализ характеристик качества сигнальных конструкций при передаче дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // Успехи современной радиоэлектроники. – 2008. – № 8. – С. 78 – 87.

12. Декодирование свёрточных кодов на выходе канала с МСИ с использовани ем выравнивателя с обратной связью по решению и мягкого декодера Витерби [Текст] / Е. О. Хабаров, С. В. Левин, О. А. Петров, С. Ю. Шалковский // Инфоком муникационные технологии. – 2009. – Т. 7, № 4. – С. 28 –32.

13. Хабаров, Е. О. Алгоритм турбо-декодирования сигналов с ТРКМ в кана лах с МСИ [Текст] / Е. О. Хабаров, Е. В. Максимов // Инфокоммуникационные технологии. – 2012. – Т. 10, № 2. – С. 29 –33.

14. Хабаров, Е. О. МАВ-декодер сигналов с ТРКМ с использованием двуна правленного выравнивания [Текст] / Е. О. Хабаров, Я. Э. Фомченко // Инфокомму никационные технологии. – 2012. – Т. 10, № 2. – С. 34 –39.

Хабаров, Е. О. Передача дискретных сигнальных последовательностей со скоро стью модуляции, превышающей скорость Найквиста [Текст] / Е. О. Хабаров // Электросвязь. – 2012. – № 11. – С. 43 – 47.

Основные публикации в других изданиях:

15. Хабаров, Е. О. Методы построения последовательных систем передачи дискретной информации [Текст] / Е. О. Хабаров // Всесоюз. НТК «Проблемы кос мической радиосвязи» : тез. докл. – М. : Сов. радио, 1979. – С. 13.

16. Хабаров, Е. О. Оценка помехоустойчивости последовательной системы передачи двоичных сигналов со скоростью, превышающей скорость Найквиста [Текст] / Е. О. Хабаров // Теория передачи информации по каналам связи : сб. ТУ ИС. – Л., 1981. – С. 142-148.

17. Беляев, С. Н. К вопросу о передаче сообщений двоичными сигналами со скоростью, превышающей скорость Найквиста [Текст] / С. Н. Беляев, А. А. Обухов, Е. О. Хабаров // VIII Всесоюз. конф. по теории кодирования и передаче информации : тез. докл. Ч. 5. – Москва ;

Куйбышев, 1981. – С. 17 – 21.

18. Беляев, С. Н. К вопросу о повышении скорости передачи сообщений по каналам с ограниченной полосой пропускания / С. Н. Беляев, Е. О. Хабаров // XXXVI Всесоюз. научная сессия, посвящ. Дню радио : тез. докл. Ч. 3. – М., 1981. – С. 91.

19. Беляев, С. Н. О помехоустойчивости двоичной системы противополож ных сигналов при скорости передачи, превышающей скорость Найквиста [Текст] / С. Н. Беляев, Е. О. Хабаров // Теория передачи информации по каналам связи : сб.

ТУИС. – Л., 1982. – С. 63-67.

20. Кловский, Д. Д. О реализации алгоритма субоптимального приёма при скорости передачи, превышающей скорость Найквиста [Текст] / Д. Д. Кловский, Е.

О. Хабаров // VIII симпозиум по проблеме избыточности в информ. системах : тез.

докл. – Л., 1983. – С. 35 – 37.

21. Хабаров, Е. О. О повышении помехоустойчивости двоичной системы связи с противоположными сигналами при удельной скорости передачи порядка Бод/ Гц [Текст] / Е. О. Хабаров // Всесоюз. НТК «Проблемы развития космической связи» : тез. докл. – М. : Радио и связь, 1983. – С. 64.

22. Устройство для демодуляции двоичных сигналов [Текст] : а. с. № 1085012 / Г. В. Кирюшин, Е. О. Хабаров, А. Ю. Шерман (СССР). – опубл. 08.12.83.

23. Устройство для демодуляции двоичных сигналов [Текст] : а. с. № 1124446 / С. Н. Беляев, В. Н. Варыгин, А. А. Обухов, Е. О. Хабаров (СССР). опубл. 15.07.84.

24. Кловский, Д. Д. Алгоритмы субоптимальной обработки малопозицион ных сигналов при высокой удельной скорости передачи [Текст] / Д. Д. Кловский, Е.

О. Хабаров // Всесоюз. НТК «Статистические методы в теории передачи и преобра зования информационных сигналов»: тез. докл. – Киев : КИИГА, 1985. – С. 67 – 68.

25. Хабаров, Е. О. Оптимизация числа уровней при передаче дискретных со общений с высокой удельной скоростью при помощи синхронной последовательно сти видеоимпульсов [Текст] / Е. О. Хабаров // Адаптивные системы связи : сб. ТУ ИС. – Л., 1989. – С. 55-63.

26. Устройство для приёма двоичных сообщений в канале с межсимвольной интерференцией [Текст] : а. с. №1819106 H04L / В. Г. Карташевский, Д. Д. Клов ский, А. А. Обухов, Е. О. Хабаров (СССР). – опубл. 22.11.90.

27. Хабаров, Е. О. О декодировании сигнально-кодовых конструкций в ка налах связи с МСИ и перемежением символов [Текст] / Е. О. Хабаров // Обработка сигналов в системах связи : сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи. – СПб. – 1995. – № 160.

- С. 127-131.

28. Кловский, Д. Д. Метод мягкого декодирования сигнально - кодовых кон струкций в каналах связи с МСИ и перемежением символов [Текст] / Д. Д. Клов ский, Е. О. Хабаров // LI науч. сессия НТОРЭС, посвящ. Дню Радио : тез. докл. – М., 1996. – С. 147 – 150.

29. Хабаров, Е. О. Модем для радиоканала многолучевым распространением [Текст] / Е. О. Хабаров, М. А. Хусаинов, С. Т. Юртаев // Вторая междунар. науч. – техн. конф. «Микроэлектроника и информатика» : тез. докл. – М., 1995. – С. – 77.

30. Последовательный одноканальный модем для декаметрового диапазона [Текст] / Д. Д. Кловский, Б. И. Николаев, Е. О. Хабаров, М. А. Хусаинов // LII науч.

сессия НТОРЭС, посвящ. Дню Радио : тез. докл. – М., 1997. – С. 91 – 93.

31. Семенов, А. В. Расчёт помехоустойчивости последовательных систем пе редачи сигналов фазовой модуляции при свёрточном кодировании в многолучевом радиоканале [Текст] / А. В. Семёнов, Е. О. Хабаров // Информатика, радиотехника и связь : сб. тр. учёных Поволжья. Вып. 3. – Самара, 1996. – С. 88-92.

32. Хабаров, Е. О. Анализ характеристик качества и синтез субоптимальных алгоритмов обработки сигналов при последовательной передаче дискретных сооб щений по каналам с межсимвольной интерференцией [Текст]: дис. … канд. техн.

наук / Е. О. Хабаров. - Самара, 1998. – 197 с.

33. Эффективный КВ модем для передачи дискретных сообщений с алго ритмом Кловского – Николаева [Текст] / Ю. В. Алышев, Д. Д. Кловский, Б. И. Ни колаев, Е. О. Хабаров // Тр. ВМК по системам, кибернетике и информатике. Т. VII, ч. 1. – Орландо ;

Флорида, США, (23-26), VII, 2000. – С. 518-522.

34. Хабаров, Е. О. Совместное использование переборных и непереборных методов при демодуляции дискретных сигналов с межсимвольной интерференцией [Текст] / Е. О. Хабаров // VI МНТК «Радиолокация, навигация и связь» : докл. Т. 2. – Воронеж, 2000. – С. 88-92.

35. Упрощённые алгоритмы демодуляции цифровых сигналов в простран ственно-временных каналах с межсимвольной интерференцией и аддитивным бе лым гуссовским шумом [Текст] / Ю. В. Алышев, Д. Д. Кловский, Б. И. Николаев, Е.

О. Хабаров // VII МНТК «Радиолокация, навигация и связь» : докл. Т. 2. – Воронеж, 2001. – С. 88-92.

36. Хабаров, Е. О. Субоптимальный выравниватель с обратной связью, мак симизирующий отношение сигнал/помеха [Текст] / Е. О. Хабаров // LVIII науч. сес сия НТОРЭС, посвящ. Дню Радио : тез. докл. Т. 2. – М., 2003. – С. 73-75.

37. Хабаров, Е. О. Выравнивание с обратной связью в каналах с многолуче вым распространением и повышенной удельной скоростью модуляции [Текст] / Е.

О. Хабаров // LVIII науч. сессия НТОРЭС, посвящ. Дню Радио : тез. докл. Т. 2. – М., 2003. – С. 173-176.

38. Хабаров, Е. О. Демодуляция в каналах с межсимвольной интерференцией путём выравнивания с последующей субоптимальной обработкой и обратной свя зью [Текст] / Е. О. Хабаров // X МНТК «Радиолокация, навигация и связь»: докл. Т.

2. – Воронеж, 2004. – С. 88-93.

39. Борисенков, А. В. Итеративная процедура мягкого декодирования в си стемах связи с перемежением символов и межсимвольной интерференцией [Текст] / А. В. Борисенков, Б. И. Николаев, Е. О. Хабаров // X МНТК «Радиолокация, навига ция и связь»: докл. Т. 2. – Воронеж, 2004. – С. 86-87.

40. Хабаров, Е. О. Факторизация функции правдоподобия при мягком деко дировании в системах связи с перемежением символов и межсимвольной интерфе ренцией [Текст] / Е. О. Хабаров // Пятый Всерос. симп. по прикладной и промыш ленной математике ОП и ПМ. Т. 11, вып. 2. – М., 2004. – С. 173-175. 419-420.

41. Хабаров, Е. О. Совместное использование линейного выравнивателя с об ратной связью и переборного алгоритма при обработке сигналов в каналах с МСИ [Текст] / Е.О. Хабаров // III Междунар. НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» : тез. докл. – Волгоград, 2004. – С. 35.

42. Хабаров Е. О. Выравнивание с обратной связью при повышенной удель ной скорости модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // V МНТК «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» : тез. докл. – Самара, 2004. – С. 29 – 31.

43. Хабаров Е.О. Проблемы адаптации выравнивателя обратной связью по решению в каналах с многолучевым распространением и изменяющимися парамет рами [Текст] / Е. О. Хабаров // XI МНТК «Радиолокация, навигация и связь» : докл.

Т. 2. – Воронеж, 2005. – С. 186-187.

44. Хабаров Е. О. О возможности передачи дискретных сообщений с по вышенной удельной скоростью модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // V Междунар.

НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» : тез. докл. – Сама ра, 2006. – С. 85.

45. Петров, О. А. Линейный выравниватель с обратной связью по решению и многомерным выходом [Текст] / О. А. Петров, Е. О. Хабаров // V Междунар. НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» : тез. докл. – Самара, 2006. – С. 86.

46. Хабаров, Е. О. Анализ дистанционных характеристик сигнальных после довательностей при повышенной удельной скорости модуляции [Текст] / Е. О. Ха баров // VI Междунар. НТК «Физика и технические приложения волновых процес сов» : тез. докл. – Казань, 2007. – С. 57.

47. Хабаров, Е. О. Некоторые вопросы передачи дискретных сообщений с повышенной удельной скоростью модуляции [Текст] / Е. О. Хабаров // XV МНТК «Радиолокация, навигация и связь» : докл. Т. 2. – Воронеж, 2009. – С. 111-119.

Список литературы, упоминаемой в автореферате:

Л.1. Proakis J.G. Digital Communications. Fourth edition, New York: McGraw-Hill.

– 2001. – P. 798.

Л.2. Nelson J. K., Singer A. C., Madhow U., McGahey C. S. “BAD: Bidirectional Arbitrated Decision-Feedback Equalization.” // IEEE Transactions on Communications, vol. 53, No. 2, February 2005. P. 214-218.

Л.3. Robertson, P. and T. Worz T. Bandwidth-Efficient Turbo-Trellis-Coded Modula tion Using Punctured Component Codes // IEEE Journal on Selected Areas in Communi cations. – V. 16, NO 2, – February 1998. – P. 206–218.

Л.4. I. Marsland. An Introduction to Turbo Equalization. // BCWS Seminar Series. – March 12, 2001.

Л.5. Mazo J.E. Faster - than Nyquist-Signaling.-The B.S.T.J., New-York, USA: 1975, p. 1451 -1462.

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого Подписано в печать «23» июля 2013 г. Формат бумаги 608 4/16 Бумага оф сетная No1. Гарнитура таймс.

Заказ № 1511. Печать оперативная. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз., Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090, г. Самара, Московское шоссе 77.