Повышение эффективности реализации высокоскоростных (до сотен МБИТ/С) фазовых модемов

Увеличение объема передаваемой информации является непре менньм условием развития цивилизации и культзфыэтот факт находит отражетю в основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;85 годы и на период до 1990 года. Шрокое внедрение вычислительной технрши в научные исследования, в процессы производства и проектирования требуют передачи больших потоков информации ъ цифровой формегосподствующие в настош1, ее время тенденции «цифрязации» аналоговых источников сообщения (телефон, радиовещание, телевидение) таюке делают актуальной проблеТ’Лу повышения эф4) ективности такого ва}шого узла систем связи, как модемы. К ocHOBHbmi задачшя теории и практики модемов для передачи дискретном хшформации по каналам связи относятся: увеличение абсолютной скорости передачи информащш при сохранении относительной скоростиувеличение относительной скоростиповьпиение достоверности. Естественно, что все эти задачи должны решаться с учетом экономические: г1) акторов, которые связаны с простотой и технологичностью проектируемых устройств. Первая из названных вьште задач требует создания аппаратуры, работающей на высоких частотах (до сотен мегагерц). Вторая предусматривает разработку многопозиционных модемов, а третья разработку сложных методов формирования и обработки сигналов. Повьшюние эффективности систем связи, так ле как и любьк технических систем, возмо-шо двумя путягш: алгоритшческим и реализационны… Медду ЭТШАИ подходами с^ тцествз^ ет слолшое взартюденствие. С одной стороны, разработка новых эгЩюктивных алгоритмов требует, как правило, реализации сло}Шых устройств, а с другой стороны, расширение реализационных возмолшостей стга.13^ лирует разработку новых алгоритаюв. Вообще, жизненность того или 1Ш0Г0 нового алгоритма доказывается, в конечном счете, только реализацией и испытанием в рабоч1'1Х условиях. Повьпиение эффективности за счет лучшей реализации остается актуальны!,! и в рамках «старых» алгоритмов, так как стош, юсти каналов связи значительно превьшают стоимость оконечного оборудования. При реализации заданного оптимального алгориташ возникают три основные проблегш: кактш точностньтш характеристиками доллсны обладать узлы, реализугопр^ е алгоритм, для того, чтобы качество работы модема было бы не xjnice заданногокак добиться того, чтобы эти точностные характеристики 1мели местокак сделать узлы максимально простьми и техыологичнытш при сохранении требз^емых точностньк характеристик. Следз^ е^т отаютить, что цифровые реализации, по сутцеству, сш’шают вторую из перечисленных проблем и переводят третью в сферу цифровой вычислительной техг-1ики. Безусловно, цифровые реализации являются перспектиБнытли, и области их использования будуч} расширяться. Вместе с тем, полный переход на цифровые реализации в технике модемов в настоящее время и в достаточно далекой перспективе вряд ли возмонен. Это объясняется несколышми обстоятельстватш. Во-первых, полностью цифровые реализации проигрывают аналоговьт! по быстродействию. Во-вторых, словесность цифровых реализаций некоторых узлов при заданной точности превышает слошость аналоговых реализаций. В-третьих, на высоких частотах потребление энергии цифровьи. ш узлатш знач1'1тельпо вьшге, нежели аналогоБыгш. Указанные обстоятельства приводят к тому, что за исключением сравШ’Ттельно низкоскоростных систем, где возможны чисто цифровые реализащш, совремешые модещт являются гибридньми системами, включаюпр’Ши в себя аналоговые, дискретные и цифровые элементы. Доля элементов ка}эдого типа зависит от конкретных условий и меняется с развитием элементного базиса. Не касаясь тюто цифровых реализаций, в настоящей. диссертационной работе рассматриваются как аналоговые, так и дискретные узлы. Решение первой из проблем требует установления связи между характеристиками качества работы модема и точностны1-.ш параметрами составляЮ'1цих его узлов. В известной технической литературе подробно изучены некоторые вшшые вопросы, связанные с влиянием отдельных узлов и качеетвом реализаций на помехоустойчивость модемов /I…29/. Наиболее подробно изучалось влияние систем синхронизации, характеристик фильтров, точности и стабильности фазы опорного колебания. Шесте с тем, влияние характеристик пере1Ш0Ш'1телей, которые составляют основу модуляторов и демодуляторов, исследовалось сравнительно мало /I/. Расчеты подобного рода в обптем виде чрезвычаР1Н0 трудны. В последнее время появились работы, в которы^с используются методы цифрового моделированрш /11,25/. .В тех случаях, когда в состав модели Бключаготся инерционные элементы (фильтры), врегш расчета калщой точки может быть значительньш. Это приводит к Tor. iy, что моделирование модема при малых вероятностях — ошибки методом Монте-Карло невозмозшо из-за большого времени счета. Обычно моделируют лишь прохогд-ение сигнала, а влияние помех оценивается аналитически. Этот прием возможен лишь в тех случаях, когда весь тракт обработки сигнала является линешьм или близктл к линейно!^ 1у. Представляется, что нардг^у с цифровьм моделированием, перспективньм является и аналоговое моделировахЧие модемов. Аналоговые модели блюке к реэльньш устройствам и позволяют более полно отразить их особенности. разработка аналоговых перемнозштелей для реализации модемов также актуальна, ввгхду того, что вып^^скае^ше в настояи^ее время пере1. шоШ'1тели не позволяют решить некоторые saJKiibie реализационные задач!-!, К числу этик задач преяде всего относятся: построение выcoKOi-сачественных манипуляторов и фазовых детекторов, обеспешвающих возмозшость принятия «мягких» решений, при BHCOICI-IX скоростях передач!'! (десятки-сотни Мбит/с) и относительно имрокополосном сигнале (относительная полоса — десятки процентов) — реализация устройств аналогового моделирования с гарантированной точностью. В настоя! цее время имеется тенден1щя к все возрастающему применению дискретных интегральных митфосхем для реализацрти аппаратури связи, что связано с i^ix известными преи1,1у1цествами (стабютьность, технологичность) по сравнению с аналоговшш /30…34/.Если искл1041'1ть 'ЧИСТО Щ’КрроБые реализации, то утяеньшение количества аналоговых элементов возмо-шо путем создания такрзх реализационных алгоритмов, Б которых по возмозшости раньше осуп^ествляется переход к логической обработке. В результате исследовании вшцеперечисленных групп вопросов получены след, ао1цие основные научные результаты. Исследовано влияние характеристик перемнокителей на помехоустойш^вость многократшлх модемовполучены аналитические зависшлости реализационньЕС энергетических потерь фазовых модемов от погрегшостей реализащ1и перемножителей. Исследовано влияние глубокого ограничения входного сигнала демодулятора на помехоустойчивость когерентных демо, цуляторов и на ЭТОГ! основе оценена возмогшость замены аналоговы:<: перемнояител е й ди с кре тныг.ш.Разработан метод С1штеза дифференциальных код1−1рзпо!1]?^х и декодирующих устройств модемов с фазоразностной манипуляцией, обеспечивающий регулярность построения и простоту схем при различных кратностях манипуляцрш. Разработан метод рациональной настрожи полиномиальных фильтров метрового диапазона волн. Исследован разработанный дискретный компенсатор межсх-швольных помех и дана оценка его эсдаективности. Развиты методы синтеза переьшожителей и разработаны широкополосные перегшожители высокоскоростных модемов, а также прецизионные перемножлтели и делители для аналогового моделирования высокоскоростных модемов. Ш базе этих результатов на защиту выносятся след^тощие основные положения: I. Погрешности реальных перемножителей: смеп’ение нуля, прямое прохождение сигналов, нелинейьше искалсения являются основными причинами реализационных энергетических потерь в сигнальном тракте шогократных фазовых модемов, причем степень влияния этих ш погреностеи сильно растет с увеличением кратности манищ'-ляции и зависит от типа структурной схемы манипулятора и фазового де текторанечетные составляющТ'^е характеристик базового детектора сохраняют противоположность и ортогональность пришаиемых сигналов, четные же составляющие в ряде случаев могут переводить один сигнал в другой и, следовательно, вносят больший вклад в сни: йение помехоустойчТ’Шости.2. Ш основе разложения функции г. шогих переменных в cyi^ iy функций, кэлдая из которы:^ с четна или нечетна по ка}кдой из переменных, разработаны методы синтеза устройств, обладающих свойством нечетности по кадлой из переменныхв диссертации эти устройства названы квазиперемножителями. Прршенение предложенного метода синтеза квазиперемно-кителей в сочетании с согласованием симметрируюпр-тх гглфокополесных трансформаторов на ли ниях передачи с помощью развязки их от нелинейных элементов суТ’Ширующими BHCOKOtiacтотньпш усилителятш позволило синтезировать широкополосный двойной звездный фазовый детектор.3. Переход к двоичног. гу представлению номера варианта сигнала и номера варртанта ртформащ-юнного вектора позволил с1штезироЕать ди (1йеренциальный кодер и декодер с регулярной структ^грой при произвольной кратности манипуляции, в которььх операщш кодрфования (декод1-фования} сводится к сложению (вычт-гтанию) по модулю позшдионности сигналаэташ обеспечена минтшза1:^Я4 по сравнению с известными схемами, числа элементов кодера и декодера. Синтезированное устройство защ1'1щено авторскрм свидетельством. Отличительной особенностью данного типа КФД и Ш является то, что они содержат максимальное число ветвей, равное М • 1 .1 .3. Известно/I /, что минимальное число корреляторов, ш>зволящее определить проекции сигналов на лю0ую саслещ координат, равно двум. Отнесем Ш и КФД, содержащие минимально возможное число ветвей к тицу П (рис-.1.3) /10, 37, 3а/. .Когерентный фазовый детектор типа II Рис. 1.3.6.На рис. 1.5 предложена структура Ш типа 1У, не требующая удвоения: счетчика^делителя. Отличительной чертой его является использование синхронного счетчикаг-делителя с параллельным переносш и перемножнтелей на выходе каждого разряда. Манипуляция осуществляется перемножителями, коэффициент передачи которых принимает одно из двух значений +1 илиI. При этом не требуется формирования дополнительных импульсов воздействия на триггеры делителей, а следовательно, и второго счетчика-делителя.На рис. 1.6 в качестве примера приведена принципиальная схема трехкратного Ш типа 1У, выполненного на интегральных микросхемах серии 100. В ней в роли перемножителей используются схемы «ЖКЖГШОПШЕ ИЛИ». Управление Ш осуществляется трехраэрядным натуральным двоичным кодок. 1крмонйки и постоянная составляющая сигнала от^ фильтровываются выходным полосовым фильтром. Трехкратный фазовый манипулятор типа 17 Di. Z D1, di-Ki00TM15l дЗ-К100АМ105 Рис. 1.6. гг 1.1 •б. Некоторые рекомендации, по выбору структур" Ш и КШ типа I целесообразно использовать при малой кратности (К-^3) манипуляции. Ш типа I позволяет достичь большей точности формирования сигнала (прж прочих равных условиях)., поскольку возможна раздельная рехулировка каждого из образцов сигналов. Структуру типа П целесообразно использовать в высокоскоростных модемах при малой кратности (1<4 2) манипуляции, а в низкоскоростных при любой кратности, поскольку в последних возможно выполнение узлов: с высокой ТОЧНОСТЬЮ, В ТОМ числе и выполнение алгоритмов в цифровой форме. Структуру типа Ш целесообразно использовать в высокоскоростных многократных модемах, поскольку в нежочетаются свойства относительной простоты управления, простоты узлов (разложение РУ на А'/Д компараторов), присущей структуре I, и вдвое меньшее количество ветвей" Ш типа 1У с использованием синхронного счетчика целесообразно применять в модуляторах любой кратности, если быстродействие элементов значительно выше несущей частоты, что необходимо для обеспечения точности мшшпуляции, т. е. Ш типа 13 Г может быть рекомендован для среднеи низкоскоростных манипуляторов. Отметим, что при к =2 структуры типов П и Ш совпадают. Отме^ ТИМ также, что во всех типахКФД, а также в Ш типа П используются аналоговые перемножители, работающие в линейном режимеперемножители остальных типов Ш работают в ключевом режиме с коэффициентами передачи +1 или 0,1.Зависимость энергетичестшх потерь модема от абсолютного значения вероятности ошибок М /дБ/ 2 • I id' ю'" ' ю'^ ю" ^ ош Рис. 1.8.25реализации, сильно отличаются от статистических свойств помех в канале* Одним из главных: отличий является существенная ограниченность мгновенных значений р^удизациошип: пшех.^дем считать, что в результате иедцеальной реализации одного или нескольких узлов в момент принятия решения к отсчету идеатшной реализации d ц добавляется реализационная помеха Д q * Цредположшгг что Лс4 распределена симметрично и стагистичеекая зависимость между вариантом сигнала и Дц отсутствует" %дем называть такуй помезсу независимой симметричной реализационнсй помехсзй. Заметим, что подобная ситуация не является единственной, но она хорошо описнваеФ влияние межсимвольнЕхх помех, наводок, паразитных прохождений сигнал лое, и т. д" 1.2"2* Оценим влияние ограниченных сяшметричннх реализацио1Ь ных помех на помехоустойчивость для случая двух противоположных сигналов, нормального аддитивного пума, линейного когерентного д&м.одуляЕтора.Вероятность ошибки двоичного символа в этом случае определяется выражением /42/ P = 1-T (h^), (1.6) 1де: Г (х)=—— сexp (- t /2 .)d tфункция ЛапласаQ — неличина отсчета сигнала иа входе решащего усзрройстваб — дисперсия шума на входе решащего устройства. Т1аким образом, можно сделать следующий важный вывод (носящий, правда, качественный характер). Ограниченная симметричная помеха мало сказывается на помехоустойчивости линейных демодуляторов цдш. больших вероятностях ошиб? Ж, Однако с ростом отношения сигнал/щум энергетичесЕше потери реальных демодуляторов должны растимногочисленные йкшерименты подтвердцайхг этот факт. При: малых вероятностях ошибок помехоустойчивость определяется только неблагоприят^ ными. сл-учаями. TijrAfnme ограниченной сшлютр'/чной реализационной помехи на помехоустойч1твость при когерентном приеме прот1гвоположных сигналов 0,1 0,2 0,3 0,4 Рис. 1.9.Энергетические потери при различных р 2 8 20&-.I постоянное смещение синусоидальная наводка Рис. 1.10.0,5 б, ог 5,15 -, — .Естественно, что максимальная помехоустойчивость будет иметь место в первом случае, а минимальная — н третьем. Его и рассмотрим. Энергетические потери от исклжеьшя амплитуд сигналов в системе с трехкратной фазовой манипуляцией при ограничении средней мощности К, = 09 uh (ф) Рис. 1.19.1Л^ Характеристики перемнокцгелей Ццеальным перемножителем назнвается устройство, внходаой сигнал которого у (У равен произведеншо входных Or^(-t) и X^W, XZ J Гг Рис. 1.22.Рассмотрим влияние основных параметров перемножителей на кагчество формирования сигналов. Прежде всего отметим, что отклонение от линейности повсюду мало влияет на систетлу сформированных сигналов, Спектры сигналов вланипулятора U=l!o-COSCdot о 5−3 Формирователь фаз Ui иг Ш и, — > т П2 ПК I и"^ UM2 и п. Имг'-Ки, п1 < 1^(ПЧ)' Рис. т .23. я так как на выходе модулятора всегда имеется фильтр, и выходной си]> нал сравнительно узкополосон. В равной мере мало влгшет отклонение от линейности и по yпpaвлЯiOщeгvT7 вхсцу^ что связано с ключевым режшгмом работы перемножителей. Естественно, что смещение нуля на выходе перелшояителей не сказывается на качестве работы модулятора, ввиду отсутствия постоянной составляющей в спектре выходного сигнала.1.5.3. Оценим влияние прямого прохождения сигнала с сигнального входа перемножителя на выход модулятора. Рассмотрим последовательно мопуляторы I. .. Ш типов, причем будем считать, что все перемноШ1тели одинаковы. Влияние прямого прохождения сигналов перемножителей в модуляторе типа III ^.^/4.Рис. 1.25. G5 Такигл образгол, наличие пряглого прохоадешш перемнокителей по сигнальному входу может вносить значительныг! ыслад к энергетические потери модема и, следовательно, необходикш приншлать меры к снижений (Sjf и его контролю при проектировашш и изготовлешш модуляторов, 1.6. Влияние характеристик перемно}штелей демодуляторов на помехоустойчивость 1,6.1. 1Теремно}ште.т[и непременно входят в состав фазовых детекторов, которые в том или ином ввде всегда присутствуют в схемах.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательские работы, выполняете предприятиями промышленности. К этим результатам относятся:

— анализ влияния характеристик перемножителей фазовых манипуляторов и когерентных фазовых детекторов на помехоустойчивость;

— анализ влияния глубокого ограничения сигнала с целью использования сумматора по модулю два вместо перемножителя КЩЦ на помехоустойчивость;

— метод синтеза дифференциальных кодирующих и декодирующих устройств модемов с фазоразностной манипуляцией;

— прецизионное аналоговое множительное устройство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты.

Исследовано влияние характеристик перемножителей на помехоустойчивость многократных модемовполучены аналитические зависимости реализационных энергетических потерь фазовых модемов от погрешностей реализации перемножителей.

Исследовано влияние глубокого ограничения входного сигнала демодулятора на помехоустойчивость когерентных демодуляторов и на этой основе оценена возможность замены аналоговых перемножителей дискретными.

Разработан метод синтеза дифференциальных кодирующих и декодирующих устройств модемов с фазоразностной манипуляцией, обеспечивающий регулярность построения и простоту схем при различных кратностях манипуляции.

Разработан метод рациональной настройки полиномиальных фильтров метрового диапазона волн.

Исследован разработанный дискретный компенсатор межсимвольных помех и дана оценка его эффективности.

Развиты методы синтеза перемножителей и разработаны широкополосные перемножители высокоскоростных модемов, а также прецизионные перемножители и делители для аналогового моделирования высокоскоростных модемов.

Практическая ценность проведенных исследований заключается в следующем: полученные аналитические зависимости энергетических потерь модема от погрешностей реализации перемножителей модулятора и демодулятора для различных типов структур Щ и КФД позволяют оценить вносимые модемом реализационные потери, а также позволяют выбрать тип структуры при заданных исходных параметрах мо.