Дискретно-аналоговые методы приема сигналов в системах передачи данных с многопозиционной частотной модуляцией

Современный этап развития науки и техники характеризуется широким внедрением в сферу производства, планирования, проектирования и управления средств вычислительной техники, позволяющих наиболее полно и эффективно решать сложные народнохозяйственные задачи. Особое значение вычислительной техники в развитии народного хозяйства отмечено в Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 г." принятых на ХХУ1 съезде КПСС, где указано ". сосредоточить усилия на решении следующих важных проблем: совершенствование вычислительной техники, её элементной базы и математического обеспечения, средств и систем передачи и обработки информации" .

Практика внедрения вычислительной техники показывает, что наиболее эффективное её использование возможно лишь в условиях крупных вычислительных центров коллективного пользования (ВЦ КП), оснащенных парком современных ЭВМ, и при организации дистанционной обработки информации, поступающей от территориально удаленных пользователей. Во многих информационных системах эффективность переработки информационных потоков определяется эффективностью средств сбора и передачи данных, а лишь затем эффективностью их машинной обработки /~2,37. Таким образом, для успешного претворения в жизнь экономической политики партии необходимо дальнейшее развитие сетей передачи данных, совершенствование которых обеспечит реализацию принципиально новых возможностей сбора, обработки и распределения информации позволит организовать коллективное пользование растущими вычислительными ресурсами. В связи с этим работы, направленные на развитие и совершенствование сетей передали данных СОД)> являются своевременными и важными.

Разнообразие абонентов, их требований и решаемых сетью задач приводит к различию и многообразию требований, предъявляемых к сети ПД При обмене сообщениями между ЭВМ возникает необходимость как в передаче больших объёмов информации (верхние уровни сети ПД), так и в обмене’короткими сообщениями (нижние уровни). Однако характерной особенностью сети ПД является наличие большого числа пользователей (свыше 80%), у которых объём передачи информации не превышает 10 тыс. знаков за сутки /~57″ Поэтому, если учесть, что системы передачи данных (СПД) являются одним из важнейших элементов сети, то разработки СПД, отвечающих специфическим потребностям такой категории пользователей, является актуальной задачей.

Передачу данных в низовых уровнях сети ПД экономически целесообразно осуществлять по телефонным коммутируемым каналам общего пользования (ТФ-ОП), представляющих собой общедоступную, широко разветвленную сеть каналов с малой удельной эксплуатационной стоимостью /~6, Ю7. Статистические исследования /~7*227 показывают, что ТФ-ОП относятся к классу нестационарных каналов с памятью. Основными причинами, вызывающими появление ошибок, являются сосредоточенные во времени помехи (импульсные помехи, кратковременные занижения уровня сигнала, перерывы связи), которые имеют тенденцию к группированию в пачки, образуя при передаче дискретной информации поток коррелированных ошибок /~127* Коэффициент ошибок достигает 5*10 ош/бит /~137. Значительное влияние на достоверность передаваемой информации оказывает неравномерность АЧХ и ГВЗ канала связи, а также сдвиг частоты и фазовое дрожание, имеющее место в ТФ-ОП. Аддитивные флуктуационные помехи, относительный уровень которых в ТФ-ОП не превышает -43 дБ, практически не оказывают влияния на достоверность передачи дискретной информации /~137.

При передаче данных в низовых уровнях сети ПД необходимо обеспечить вероятность ошибочного приёма знака не хуже +1СГ7, среднюю скорость передачи за сеанс связи ^= 600+1200 бит/с и малую стоимость СПД /~23,247. Проведенные исследования /~25,2б7 и технические характеристики на аппаратуру передачи данных (АПД) показывают, что серийно выпускаемая и разрабатываемая АПД при работе по ТФ-ОП не удовлетворяет перечисленным выше требованиям.

Это объясняется тем, что для повышения верности передачи в АПД используются коды обнаруживающие ошибки, эффективность которых резко снижается при коэффициенте ошибок в канале связи Кш = 10. Причина этого состоит в том, что для обеспечения высокой скорости кода на каналах с памятью (коррелированными ошибками) необходимо вводить значительную избыточность с одновременным увеличением длины кодового блока /~267. Однако увеличение длины блока на каналах с высокой интенсивностью помех приводит к увеличению вероятности поражения блока помехой. В результате снижается эффективная скорость передачи информации из-за длительных переопросов в канале связи /~277;

В условиях передачи малых объёмов информации по каналам с высокой интенсивностью коррелированных помех наиболее перспективными являются некодовые (косвенные) методы повышения помехоустойчивости, основанные на анализе сигнала или состояния канала связи. Стирание участков сигнала производится только на интервале действия помех, чем достигается высокое использование пропускной способности канала связи и, следовательно, высокая скорость передачи информации /~28,297.

Высокой разрешающей способностью обладают анализаторы состояния канала связи, в основу которых положен метод режекции полезной составляющей сигнала (РПС). Практическая ценность метода.

И1С состоит в том, что он объединяет функции детектора качества канала и демодулятора частотно-манипулированных сигналов приём ников СПД /~П0*П27.

Рассматривая МЧМ с точки зрения использования для передачи дискретной информации в СПД низовых уровней, следует отметить, что системы с МЧМ не критичны к сдвигу частоты в канале связи, а также фазовому дрожанию и неравномерности ГВЗ (некогерентный приём) /-347.

Как известно, ^ -эффективность £ЫJ многопозиционных систем увеличивается с ростом числа N вариантов передаваемых сигналов /~357. Однако, на пути реализации многопозиционных систем возникают серьезные трудности, связанные с технической реализацией и обеспечением высоких экономических показателей приёмников СПД. Технико-экономические показатели МЧМ приёмников определяются методами приёма и анализа сигналов /~347. Б МЧМ приёмниках с аналоговой обработкой сигналов с ростом /У увеличивается стоймость, весогабаритные показатели при одновременном ухудшении надёжности системы. Это объясняется тем, что с ростом числа N линейно увеличивается число ветвей анализа сигнала.

Цифровые приёмники лишены указанных недостатков, однако для анализа многопозиционных сигналов в реальном масштабе времени необходимо распараллеливать процедуру обработки сигнала, что требует применения нескольких специализированных микропроцессоров и значительного объёма ОЗУ. Поэтому применение этих методов в низовых уровнях сети ПД, в ближайшие 7−10 лет, неоправдано.

Наиболее перспективной в настоящем и в обозримом будущем является разработка СПД с дискретно-аналоговым /~377 или комбинированным анализом сигналов /~Ю97. Эти методы реализуют основные преимущества аналоговых и цифровых методов приёма сигналов. Стоимостные характеристики МЧМ систем конкурируют с бинарными ЧМ, а по надежности не уступают цифровым.

Особый практический интерес представляет разработка дискретно-аналоговых методов режекторного приёма. Применение указанных методов приёма и анализа сигналов, как показано в настоящей работе, позволит существенно повысить эффективность и улучшить технико-экономические показатели СПД по сравнению с системами, использующими другие известные принципы приёма и защиты от ошибок.

Данная работа выполнена в рамках Целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.027, утвержденной постановлением ГКНТ СССР, АН СССР и Госстроя СССР № 474/250/132 от 12.12.80 г. (№ гос. per. 080.40.33).

Цель настоящей работы заключается в исследовании дискретно-аналоговых и комбинированных методов анализа МЧМ сигналов, основанных на методе РПС, в определении области эффективного использования этих методов, в том числе, в СПД функционирующих по каналам связи с высокой интенсивностью коррелированных и сосредоточенных во времени помех.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

— разработки критериев эффективности СПД низовых уровней, синтеза целевой функции оптимизации СПД и на их основе проведения анализа методов приёма и защиты от ошибок в системах, работающих по каналам ТФ-ОП;

— анализа метода РПС, определения области его эффективного использования, исследования помехоустойчивости и оптимизации параметров приёмников с РПС;

— разработки правил принятия решений приёмников с дискретно-аналоговыми и комбинированными методами анализа МЧМ сигналов, а также синтеза структур дискретно-перестраиваемых резкекторных фильтров (ДПРФ), с помощью которых реализуются эти методы;

— теоретических и экспериментальных исследований помехоустойчивости систем с комбинированным анализом МЧМ сигналов методом РПС;

— подтверждения результатов исследований на практике.

Научная новизна. Доказана и подтверждена практически целесообразность применения дискретно-аналогового и комбинированного анализа МЧМ сигналов, основанных на методе РПС, в СПД, работающих по каналам ТФ-ОП с высокой интенсивностью коррелированных и сосредоточенных во времени помех.

Разработана методика оптимизации параметров приёмников с РПС, получены аналитические зависимости для оценки вероятности ошибки при приёме неортогональных сигналов в некогерентных МЧМ приёмниках с режекторными фильтрами.

С целью обеспечения высоких технико-экономических показателей СПД разработаны правила принятия решения и на их основе синтезированы структуры приёмников с дискретно-аналоговым и комбинированным анализом МЧМ сигналов. Синтезированы безынерционные дискретно-перестраиваемые режекторные фильтры, с помощью которых реализуются указанные приёмники.

Получены аналитические зависимости для определения вероятности пересечения фиксированного порогового уровня огибающей узкополосного случайного стационарного процесса на конечном временном интервале и на их основе получены математические выражения для определения вероятности стирания, вероятности необнаруженной ошибки в СПД с комбинированным анализом МЧМ сигналов.

Таким образом, проведенные исследования позволили выявить новые возможности повышения эффективности СПД, работающих по каналам ТФ-ОП за счет применения косвенных методов обнаружения помех, основанных на РПС, и улучшения технико-экономических показателей путем использования дискретно-аналоговых методов приёма МЧМ сигналов.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют существенно расширить область применения ТФ-ОП для передачи дискретной информации в сети ВЦ КП. При этом достигается значительный экономический эффект за счет сокращения расходов на сооружение или аренду каналов связи.

Разработаны, изготовлены и находятся в промышленной эксплуатации СПД, реализующие дискретно-аналоговые и комбинированные методы анализа МЧМ сигналов, основанные на РПС.

Разработана методика инженерных расчетов и комплекс программ для расчетов на ЭВМ: параметров дискретно-перестраиваемых режекторных фильтров с компенсационными фазосдвигающими звеньями, оптимальных параметров приёмников с РПС, вероятности стираний, вероятности необнаруженной ошибки в СПД с МЧМ и комбинированным анализом сигналов для канала с аддитивными флуктуационны-ми и мультипликативными сосредоточенными во времени помехами.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 150 страницах с 28 рисунками, 10 фотографиями и 4 таблицами, списка литературы на 12 страницах (130 наименований), приложений на 50 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. С позиций системного подхода сформулированы критерии эффективности систем передачи данных (СПД), на базе которых синтезирована целевая функция оптимизации этих систем, позволяющая в сравнении с существующими более полно определить их технико-экономические показатели с учетом объёмно-временных характеристик конкретной информационной системы.

2. С позиции сформулированных критериев эффективности проведен анализ методов повышения помехоустойчивости приёма МЧМ сигналов. Установлено, что в условиях передачи малых объёмов информации за сеанс связи по каналам с памятью и высокой интенсивностью сосредоточенных по времени помех (например, каналы ТФ-ОП) актуальной является задача разработки и исследования дискретноаналоговых методов приёма сигналов, основанных на методе режекции полезной составляющей сигнала (РПС).

3. Доказана эффективность и целесообразность применения метода РПС для приёма МЧМ сигналов в СПД, работающих по каналам с низким уровнем аддитивных флуктуационных и высокой интенсивностью сосредоточенных во времени помех (к таким каналам относятся коммутированные телефонные каналы общего пользования).

Показано, что метод РПС позволяет объединить функции детектора качества каналов (косвенные методы обнаружения ошибок) и МЧМ демодуляторов на каналах с аддитивными и мультипликативными сосредоточенными во времени помехами.

При заданной допустимой вероятности ошибки Рош существ.

2 2. вует нижняя граница уровня шума ((/0 > (}0 ¿-}оп), ниже которой применение некогерентного приёма по огибающей с использованием метода РПС недопустимо.

4. В процессе исследований метода РПС:

— получена аналитическая зависимость для определения вероятности ошибки при некогерентном режекторном приёме по огибающей, а также для систем с последетекторным интегрированием огибающей, работающих по каналам с аддитивными флуктуационными помехами;

— разработана методика и комплекс машинных программ оптимизации параметров МЧМ приёмников с РПС.

5. Выполнены исследования некогерентных методов приёма МЧМ сигналов, в основу которых положены метод РПС и дискретно-аналоговый анализ сигналов. Сформулировано правило решения приёмника с последетекторным интегрированием огибающей, разработан приёмник с дискретно-перестраиваемым режекторным фильтром (ДПРФ).

6. Математически строго доказана возможность дискретно-аналогового поиска с последующим непрерывным анализом МЧМ сигналов методом РПС (так называемый комбинированный анализ).

Разработаны соответствующие правила решения (на основе критерия непревышения огибающей сигнала, заданного порогового уровня на выходе ДПРФ) и оригинальная структурная схема приёмника.

Показано, что приёмник с комбинированным анализом МЧМ сигналов, в отличие от известных приёмников, содержит всего лишь одну ветвь обработки сигналов, что существенно упрощает техническую реализацию аппаратуры.

7. Выполнен синтез, разработана методика инженерных расчетов безынерционного дискретно-перестраиваемого режекторного 'фильтра с компенсационными фазосдвигающими звеньями. Скорость перестройки такого фильтра более чем в 100 раз превосходит скорость перестройки существующих фильтров.

8. Исследована помехоустойчивость приёмника, реализующего комбинированный анализ МЧМ сигналов методом РПС, на математической модели канала связи с аддитивными флуктуационными и мультипликативными сосредоточенными по времени помехами.

Впервые получены аналитические зависимости для определения вероятности пересечения огибающей узкополосного случайного стационарного процесса заданного фиксированного уровня на конечном временном интервале и на их основе выведены формулы для определения вероятности правильного приема, вероятности необнаружения ошибки, вероятности стираний. Разработан комплекс программ для расчетов помехоустойчивости системы.

9. Проведены экспериментальные исследования на физической модели ТФ-ОП, где имитировались аддитивные флуктуационные импульсные помехи, кратковременные перерывы и занижения уровня связи, а также сдвиг частоты и неравномерность АЧХ и ГВЗ канала связи.

Полученные экспериментально коэффициенты необнаруженных ошибок, правильного приёма, стираний совпадают с расчетными характеристиками помехоустойчивости с точностью I, 2 + 1,4 дБ.

10. Разработан ряд оригинальных блоков и устройств, предназначенных для создания аппаратуры передачи данных (АПД), реализующих комбинированный анализ МЧМ сигналов методом РПС. Основные технические решения при этом защищены 16 авторскими с видетельствами на изобретения.

11. Теоретические результаты, полученные в работе, использованы автором при разработке аппаратуры передачи данных &bdquo-Режектор". Разработка выполнена в рамках проблемы ГКНТ СССР (№ гос. per. 080.15.40.33). &bdquo-Создать и ввести в эксплуатацию экспериментальное автоматизированное рабочее место для строительного проектирования, предназначенное для использования в сетях вычислительных центров коллективного пользований! С 1981 по 1983 год экспериментальным производством НЙИАСС Госстроя УССР изготовлено 26 комплектов АПД &bdquo-Режектор", которые находятся в промышленной эксплуатации в следующих организациях: пГипрогражданпромстрой «Госстроя УССР, Управление АСУС Главленинградстроя, Ленинградский научно-исследовательский вычислительный центр АН СССР, Вычислительный центр Черкасского облпотребсоюза, Институт технической кибернетики АН БССР и др.

12. Аппаратура передачи данных &bdquo-Режектор" входит в состав специализированных абонентских пунктов, предназначенных для обеспечения режима теледоступа в системе САПР проектных организаций Госстроя УССР, разработанной по целевой комплексной программе 0.Ц.027. На экспериментальном участке сети ВЦ КП Госстроя УССР с февраля 1981 года работает три абонентских пункта «Режек-тор-АП». Годовой экономический эффект, полученный в процессе экс-плоатации абонентских пунктов, составил 58 тыс. руб.

Промышленная эксплуатация на коммутируемых каналах связи подтвердила высокую эффективность АПД &bdquo-Режектор". По результатам эксплуатации этой аппаратуры на каналах Черкасской области УССР установлено, что при использовании АПД &bdquo-Режектор" время сеанса связи в среднем на 20−25% меньше, чем при использовании аппаратуры с другими известными методами приёма и анализа сигналов.