Математические модели и методы диагностики искажений сигнала в информационных каналах

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Разработка новых математических методов моделирования применительно к информационным каналам продиктована необходимостью диагностики искажений сигнала и его коррекции с целью повышения информационной надежности. Основная проблема диагностики связана с развитием методов выявления искажений и оценки их параметров, что невозможно без предварительного построения математической модели информационного сигнала.

Классический подход к диагностике состоит в анализе информационного сигнала на приемной стороне и определении частоты появления ошибочных символов и коэффициента ошибок модуляции (К. Шеннон, Г. Найквист и др.). Однако указанные параметры дают представление лишь о степени ухудшения качества сигнала, но не о возможных причинах его снижения, более того, для получения достоверной оценки необходимо длительное время наблюдения, то есть ухудшение качества информационного сигнала регистрируется с большой задержкой.

Для уменьшения влияния перечисленных недостатков были разработаны некоторые методы диагностики, основанные на обработке модуляционных диаграмм нейронной сетью (Р. Daponte, G. Mercurio, S. Rapuano и др.) — на теории фильтрации с восстановлением исходного сигнала и поиском разности между ним и реальным сигналом на входе в виде функции искажений (N. Sollenberger, Y. Li, L. Cimini, J. M. N. Leitao, F. D. Nunes и др.) — на параметрическом методе Прони и методах корреляции, базирующихся на свойствах сигнальной матрицы автокорреляции (Д.Э. Юл, Г. де Прони, А. Я. Хинчин, Р. Уокер и др.).

Общие недостатки всех упомянутых методов — существенные вычислительные затраты на их реализацию и, как следствие, большие временные задержки, что делает практически невозможным раннее обнаружение искажений по небольшим отклонениям принимаемого информационного сигнала относительно передаваемого. В этой связи тема диссертационной работы является крайне актуальной для теории и практики повышения эффективности и качества информационных каналов.

Одновременно актуальность диссертационного исследования определяется тем, что его тематика соответствует разделу «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации» утвержденного Президентом РФ 21.05.2006 г. перечня критических технологий и перспективных направлений науки и техники Российской Федерации.

Цель работы. Целью диссертационного исследования является создание эффективных математических моделей и методов диагностики искажений информационного сигнала, обеспечивающих возможность быстрой его коррекции в высокоскоростных информационных каналах.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка математической модели информационного сигнала, основанного на кодировании методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков с учетом особенностей формирования информационного потока.

2. Разработка алгоритмов диагностики искажений информационного сигнала на базе его математической модели.

3. Разработка программного комплекса численного моделирования на основе алгоритмов диагностики искажений информационного сигнала.

4. Проведение моделирования и сравнительный анализ результатов.

Методы исследования. В работе используются общие методы математического анализа, линейной алгебры и теории функций комплексного переменного, математической статистики, а также методы теории приближений, вычислительной математики, теории сигналов, теории потенциальной помехоустойчивости.

Научная новизна результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, состоит в следующем:

1. Построена математическая модель информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, отличающаяся одновременным учетом наличия защитного интервала и распределения данных по передаваемым символам.

2. Предложен на основе трансформационной матрицы метод математического моделирования воздействия искажений на информационный сигнал, формируемый посредством кодирования методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, что позволило оценивать параметры типовых искажений с меньшими в вычислительном отношении затратами ресурсов.

3. Разработан эффективный численный алгоритм оперативной оценки параметров искажений информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, и реализующий его проблемно-ориентированный программный комплекс.

Научная ценность работы. Предложена и исследована обобщенная математическая модель информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков. Теоретический интерес представляет разработанный на основе этой модели математический метод оценки параметров искажений сигнала.

Практическая ценность работы. Предлагаемый алгоритм и синтезированный на его основе комплекс программ позволяют оценивать параметры искажений информационных сигналов, основанных на кодировании методом ортогонального частотного разделения квадратурноамплитудно модулированных сигнальных признаков, с меньшими вычислительными затратами по сравнению с ранее известными алгоритмами, в частности в беспроводных сетях Wi-Fi, WiMax, LTE, сетях цифрового вещания стандартов DVB-T, DVB-T2 и прочих, характеризующихся передачей сжатых потоков информации. В отличие от других методов предложенный метод обеспечивает одновременное оценивание параметров всех типовых искажений. Разработанный на основе данного метода алгоритм позволяет динамически отслеживать параметры, что делает возможным проведение диагностики информационного канала с ранним обнаружением искажений по небольшим отклонениям сигнала с быстрой его коррекцией.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Разработанная математическая модель информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, учитывающая как общее распределение данных, так и наличие защитного интервала в передаваемых символах.

2. Разработанные математическая модель и алгоритм на ее основе, реализующий метод оценки параметров типовых искажений информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков. Принципиальное отличие предложенного алгоритма заключается в том, что появляется возможность оценивать параметры искажений по небольшим отклонениям сигнала.

3. Разработанный проблемно-ориентированный программный комплекс, позволяющий динамически отслеживать изменение параметров типовых искажений сигнала в информационном канале, а именно: фазовый сдвиг, несогласованность амплитуд, квадратурную ошибку, ослабление (затухание) сигнала, интерференционные искажения, дрожание фазы (джиттер) и гауссов шум.

4. Результаты проведенного численного анализа на основе разработанного метода оценки параметров искажений информационного сигнала, подтверждающие эффективность предложенного метода при определении параметров типовых искажений сигнала в информационных каналах.

Реализация результатов. Результаты исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского ГТУ имени Гагарина Ю. А., а также в организации «Саратовский ОРТПЦ» ФГУП «РТРС», что подтверждено актом использования результатов исследования.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и доложены на Международных научно-технических конференциях «Проблемы управления, передачи и обработки информации» (Саратов, 2009, 2011), «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010; Пенза, 2011; Волгоград 2012), Международной научной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии» (Саратов, 2012), научных семинарах кафедры «Техническая кибернетика и информатика» СГТУ имени Гагарина Ю. А. Во всероссийском проекте «1Т ПРОРЫВ» (Москва, 2010) под эгидой партии «Единая Россия», совместно с государственной корпорацией «Ростехнологии» и компанией 8оШте, работе автора присуждено второе место в номинации «Технологии будущего». Автор является лауреатом конкурса по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» У.М.Н.И.К. (Саратов, 2011) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, где им получен и реализуется грант на проведение НИОКР.

Публикация результатов исследования. Полученные научные результаты изложены в 30 опубликованных работах, из них 6 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ, имеется заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ. Список публикаций приведен в конце диссертационной работы.

Структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка в алфавитном порядке и приложения.

4.4. Выводы по главе.

1. Представлена и описана блок-схема алгоритма метода диагностики искажений информационного сигнала.

2. Разработан комплекс проблемно-ориентированных программ, реализующий предложенный метод.

3. Показана эффективность предложенного метода при определении параметров фазового сдвига, несогласованности амплитуд, квадратурной ошибки, ослабления (затухания) сигнала, интерференционных искажений, дрожания фазы (джиттера) и гауссова шума.

4. Выполнен сравнительный анализ, иллюстрирующий принципиальные преимущества предложенного метода по информационной надежности и быстродействию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При выполнении диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Предложена математическая модель информационного сигнала, основанного на кодировании методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков с учетом особенностей информационного потока. Модель отражает процедуру формирования и преобразования информационного сигнала в информационном канале системы передатчик-канал-приемник.

2. Получена трансформационная матрица, описывающая влияние фазового сдвига, несогласованности амплитуд, квадратурной ошибки, ослабления (затухания) сигнала, интерференционных искажений, дрожания фазы (джиттера) и гауссова шума на информационный сигнал, кодированный методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков.

3. Предложен метод и разработан численный алгоритм, позволяющий оценивать параметры искажений информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков. Метод позволяет находить численные значения параметров типовых искажений.

4. Разработан комплекс проблемно-ориентированных программ, реализующий предложенный метод оценки параметров искажений информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков.

5. Проведены численное моделирование и анализ полученных результатов. Показана эффективность предложенных модели и метода для оперативного выявления и оценки параметров типовых искажений информационного сигнала в передающих каналах.

Таким образом, решены задачи диссертационного исследования и достигнута поставленная цель: синтезированы эффективная математическая модель и метод диагностики искажений информационного сигнала, обеспечивающий возможность быстрой его коррекции в высокоскоростных информационных каналах.

Результаты, полученные в данной работе, позволяют выделить следующие ключевые направления дальнейших исследований:

1. Исследование дополнительных возможностей снижения вычислительных затрат на реализацию метода диагностики.

2. Исследование возможности аппаратной реализации метода диагностики.

3. Исследование возможности учета большего числа канальных помех, влияющих на точность оценки параметров искажений модуляционной диаграммы.

Документы, подтверждающие использование результатов диссертационного исследования, представлены в приложении к работе.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ.

1. Киселёв В. В. Особенности моделирования одночастотных сетей цифрового телерадиовещания стандарта DVB-T / В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов // Вестник Саратовского государственного технического университета. — Саратов: СГТУ, 2010. № 4 (51). Вып. 3. С. 145−150.

2. Киселёв В. В. Моделирование цифровых систем телерадиовещания с квадратурной амплитудной манипуляцией / В. В. Киселёв, М. С. Светлов, Руденко А. Е. // Вестник Саратовского государственного технического университета. — Саратов: СГТУ, 2010. № 4 (51). Вып. 3. С. 140−143.

3. Киселёв В. В. Разработка программной модели одночастотной сети цифрового вещания стандарта DVB-T / В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов. // Вестник Саратовского государственного технического университета. — Саратов: СГТУ, 2010. № 4 (51). Вып. 3. С. 143−145.

4. Киселёв В. В. Оценка качества канала вещания системы цифрового эфирного телевидения стандарта DVB-T / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Вестник Саратовского государственного технического университета. -Саратов: СГТУ, 2009. № 4 (43). Вып. 2. С. 52−54.

5. Киселёв В. В. Мониторинг каналов в системах с OFDM/QAM сигналами / В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов, А. Е. Руденко, A.C. Мухамбетжанов // Вестник Саратовского государственного технического университета. — Саратов: СГТУ, 2010. № 4 (50). Вып. 2. С. 13−17.

6. Киселёв В. В. Классификация и оценивание помех при использовании QAM сигналов / Р. В. Геранин, В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов // Вестник Саратовского государственного технического университета. -Саратов: СГТУ, 2010. № 4 (50). Вып. 2. С. 10−12.

Прочие публикации.

7. Киселёв, В. В. Исследование предельной помехоустойчивости канала вещания системы цифрового телевидения / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-20: сб. тр. XX междунар. науч. конф., 28−31 мая 2007 г.: в 10 т. — Ярославль: ЯГТУ, 2007. Т. 7. С. 174−176.

8. Киселёв, В. В. Разработка и исследование модели помехоустойчивости цифровых систем телерадиовещания / В. В. Киселёв, Л. К. Крук, М. С. Светлов // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-21: сб. тр. XXI междунар. науч. конф., 27−30 мая 2008 г.: в 10 т. — Саратов: СГТУ, 2008. Т. 7. С. 242−243.

9. Киселёв, В. В. Цифровое телевидение на базе технологии универсального широкополосного беспроводного доступа / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21): сб. тр. XXI междунар. науч. конф. — Тамбов: ТГТУ, 2008. Т. 11: Осенняя школа молодых ученых. С. 213−215.

Ю.Киселёв, В. В. Математическая модель канала передачи данных системы цифрового телерадиовещания / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-22: сб. тр. XXII междунар. науч. конф.: в Ют. — Псков: ППИ, 2009. Т. 8. С. 214−215.

1 1. Киселёв, В. В. Проблемы электромагнитной совместимости в цифровом телерадиовещании / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-22: сб. тр. XXII междунар. науч. конф.: в 10 т. — Псков: ППИ, 2009. Т. 8. С. 215−217.

12.Киселёв, В. В. Математическая модель канала передачи данных системы цифрового телерадиовещания / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50): сб. тр. Междунар. науч. конф., сент. 2009 г. — Саратов: СГТУ, 2009. С. 250 252.

1 З. Киселёв, B.B. Исследование предельной помехоустойчивости канала вещания системы цифрового телевидения / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50): сб. тр. Междунар. науч. конф., сент. 2009 г. — Саратов: СГТУ, 2009. С. 252 253.

14. Киселёв, В. В. Цифровое телевидение на базе технологии универсального широкополосного беспроводного доступа / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50): сб. тр. Междунар. науч. конф., сент. 2009 г. — Саратов: СГТУ, 2009. С. 253−256.

15.Киселёв, В. В. Проблемы электромагнитной совместимости в цифровом телерадиовещании / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50): сб. тр. Междунар. науч. конф., сент. 2009 г. — Саратов: СГТУ, 2009. С. 287−289.

16.Киселёв, В. В. Интерактивность в цифровом телевидении / В. В. Киселёв, А. Е. Руденко, М. С. Светлов // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-23: сб. тр. XXIII междунар. науч. конф.: в 12 т. -Саратов: СГТУ, 2010. Т. 7. С. 171−173.

17.Киселёв, В. В. Одночастотная сеть эфирного цифрового вещания с учётом модели местности / В. В. Киселёв, М. С. Светлов // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-23: сб. тр. XXIII междунар. науч. конф.: в 12 т. — Саратов: СГТУ, 2010. Т. 7. С. 174−176.

18.Киселёв, В. В. Ортогональное частотное мультиплексирование с повёрнутой и смещённой квадратурной амплитудной манипуляцией / В. В. Киселёв, A.A. Львов, А. Е. Руденко, М. С. Светлов // Международная научная конференция «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (ПИТ-2010), г. Самара, 29 сен, — 1 окт. 2010 г. — Самара: СГАУ, 2010. С. 94−96.

19.Киселёв B.B. Разработка программной модели одночастотной сети цифрового вещания стандарта DVB-T / В. В. Киселёв, М. С. Светлов. // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, г. Саратов, 26−29 окт. 2010 г.: в 2 т.-Саратов: СГТУ, 2010. .Т. 1.С. 152−153.

20.Киселёв В. В. Оценка и коррекция параметров канала при приёме частотноразнесённых сигналов в стандарте DVB-T / Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-24: сб. тр. XXIV междунар. науч. конф., г. Пенза, 20−22 сент. 2011 г.: в 10 т. -Пенза: Пенз. гос. технол. академия, 2011. Т. 10. С. 77−79.

21.Киселёв В. В. Выравнивание пилотных символов при использовании когерентной модуляции / A.B. Антонов, Р. В. Геранин, В. В. Киселёв, М. С. Светлов. // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-24: сб. тр. XXIV междунар. науч. конф., г. Пенза, 20−22 сент. 2011 г.: в 10 т. — Пенза: Пенз. гос. технол. академия, 2011. Т. 10. С. 70−72.

22.Киселёв В. В. Математическое моделирование и мониторинг цифровых каналов с OFDM/QAM сигналами / A.B. Антонов, В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов // Сборник трудов «Доклады Академии военных наук». — 201 1. № 5 (49). С. 73−79.

23.Киселёв В. В. Модель радиоканала для одночастотной сети цифрового вещания стандарта DVB-T / В. В. Киселев, А. А. Львов, М. С. Светлов // Проблемы управления, обработки и передачи информации (ATM — 2011): сб. тр. II междунар. науч. конф., окт. 2011. — Саратов, 2011. С. 356−360.

24.Киселёв В. В. Математическое моделирование каналов цифрового телерадиовещания / В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов // Материалы Четвертой Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (ССПС-2011). — Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2011. Т. 2. С. 371−380.

25.Киселёв B.B. Оптимизация пилот-сигналов для оценки параметров канала в системах OFDM / B.B. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов, C.B. Спиридонов // Материалы Четвертой Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (ССПС-2011). — Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2011. Т. 2. С. 380−387.

26.Киселёв В. В. Повышение помехозащищенности каналов в мобильных системах с OFDM / B.B. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов, М. А. Попов // Материалы Четвертой Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (ССПС-2011). — Таганрог: ТТИ ЮФУ,.

2011. Т. 2. С. 387−398.

27.Киселёв В. В. Улучшенный метод оценивания влияния помех на сигналы технологии частотного уплотнения с ортогональными поднесущими в сочетании с квадратурно-амплитудной модуляцией / В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов. // Проблемы управления, обработки и передачи информации (ATM — 2011): сб. тр. II междунар. науч. конф., окт. 2011. -Саратов, 201 1. С. 134−137.

28.Киселёв В. В. Оценка полигармонических искажений в OFDM/QAM-сигнале / В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов. // Проблемы управления, обработки и передачи информации (ATM — 2011): сб. тр. II междунар. науч. конф., окт. 2011. — Саратов, 2012. Т. 2. С. 21−24.

29.Киселёв В. В. Оценка дрожания фазы в OFDM/QAM-сигнале / В. В. Киселёв, A.A. Львов, М. С. Светлов. // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-25: сб. тр. XXV междунар. науч. конф. — Саратов, 2012. Т. U.C. 74−77.

30.Киселёв В. В. Численное моделирование и анализ воздействия искажений на OFDM/QAM-сигнал / В. В. Киселёв, A.A. Львов. // Компьютерные науки и информационные технологии «КНИТ-2012»: материалы Междунар. науч. конф., г. Саратов, 1−4 июля 2012 г. — Саратов,.

2012. С. 180−184.