Алгоритмы синхронизации при приеме сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Унгер, Антон Юрьевич

• Унгер, Антон Юрьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Унгер, Антон Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ ЦИИМ

1.1. Особенности сигналов ЦИИМ

1.2. Спектральная и энергетическая эффективность сигналов ЦИИМ

1.3. Перспективы использования сигналов ЦИИМ в системах передачи информации

1.3.1. Применение сигналов ЦИИМ в системах спутниковой связи

1.3.2. Применение сигналов ЦИИМ в телеметрии

1.4. Выводы

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРИ ПРИЕМЕ СИГНАЛОВ ЦИИМ

2.1. Метод, использующий спектральные свойства сигнала ЦИИМ

2.2. Метод синхронизации с использованием частотного детектирования сигнала ЦИИМ

2.3. Синхронизация с использованием метода максимального правдоподобия

2.4. Выводы

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ФАЗОВОЙ, ТАКТОВОЙ И ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРИЕМНИКА СИГНАЛОВ ЦИИМ

3.1. Синтез алгоритмов оптимальной нелинейной фильтрации задержки, фазы и индекса модуляции сигнала ЦИИМ

3.2. Анализ дискриминационных характеристик системы синхронизации

3.3. Анализ динамических характеристик системы синхронизации

3.4. Анализ помехоустойчивости оптимального приемника сигналов ЦИИМ

3.5. Выводы

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ И АНАЛИЗ НЕОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРИЕМНИКА СИГНАЛОВ ЦИИМ НА ОСНОВЕ ДЕМОДУЛЯТОРА ВИТЕРБИ

4.1. Алгоритм фазовой синхронизации демодулятора Витерби

4.2. Алгоритм тактовой синхронизации демодулятора Витерби

4.3. Анализ дискриминационных характеристик системы синхронизации

4.4. Анализ динамических характеристик системы синхронизации

4.5. Анализ помехоустойчивости приемника сигнала ЦИИМ на основе демодулятора Витерби

4.6. Сравнительный анализ оптимального и неоптимального алгоритмов синхронизации

4.7. Выводы

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА СИГНАЛОВ ЦИИМ

5.1. Программно-математическая модель приемника и системы синхронизации сигналов ЦИИМ

5.2. Практическая реализация модема

5.2.1. Реализация модулятора

5.2.2. Реализация демодулятора

5.3. Оценка вычислительной сложности алгоритмов синхронизации

5.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы синхронизации при приеме сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции»

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое увеличение количества радиоэлектронных систем, использующих общий диапазон частот, и повышение требований к пропускной способности каналов связи вызывает необходимость в улучшении характеристик существующих и поиске новых методов передачи информации. Поиск новых методов передачи информации начинается с выбора сигнального формата.

Широкое распространение систем беспроводной связи требует от разработчиков радиоаппаратуры непрерывно увеличивать скорость передачи информации, сохраняя компактный спектр сигнала. Кроме этого, стремление к экономичности и миниатюризации приемопередатчиков вызывает необходимость в использовании сигналов с максимальной энергетической эффективностью.

Традиционные методы передачи информации, использующие сигналы с амплитудной, частотной (ЧМ), фазовой и амплитудно-фазовой манипуляцией, не способны удовлетворить требованиям современных радиосистем. В первую очередь это относится к чрезвычайно актуальным в настоящее время радиосистемам мобильной и спутниковой связи, а также системам специального назначения и телеметрии. Для этих систем весьма перспективными являются сигналы, модулированные с непрерывной фазой (МНФ).

В настоящее время такие сигналы широко используются в системах спутниковой (стандарт MIL-STD-188-181) и мобильной (стандарт GSM) связи. Вместе с тем, современное применение сигналов МНФ ограничено относительно простыми форматами, тогда как потенциальные возможности этих сигналов значительно выше. Это связано с тем, что сигнал МНФ определяется большим числом параметров, от которых зависит его спектральная и энергетическая эффективность, а, следовательно, и

потенциальная помехоустойчивость. Среди всех параметров сигнала первостепенное значение имеет индекс модуляции.

Известно [5], что сигналы МНФ с циклически изменяющимся индексом модуляции обладают на порядок большей помехоустойчивостью в сравнении с сигналами МНФ с постоянным индексом модуляции, сохраняя при этом высокую спектральную и энергетическую эффективность.

Первые исследования по сигналам с циклически изменяющимся индексом модуляции (ЦИИМ) относятся к 70-м годам прошлого века [58]. Детальным исследованием свойств этих сигналов занимались зарубежные ученые Андерсон Дж., Аулин Т. и Сандберг К. [32]. К концу прошлого, началу нынешнего столетия были выработаны основные пути решения проблем, связанных с обработкой сигналов с непрерывной фазой. Основные результаты здесь принадлежат итальянской школе (работы Менгали У., Д'Андреа А. и др.) [55]. В отечественной науке исследованию сигналов ЦИИМ посвящены работы Куликова Г.В. [6], Парамонова А.А. [2], Парамонова К.А. [12] др.

При этом если техника приема сигналов ЦИИМ к настоящему времени достаточно отработана, то проблему синхронизации, актуальную для всех систем цифровой связи, нельзя считать удовлетворительно решенной. Существующие алгоритмы синхронизации охватывают весьма узкий класс сигнальных форматов и отличаются низкой эффективностью. Более того, исследования в области цикловой синхронизации, необходимой для помехоустойчивого приема сигналов ЦИИМ, практически отсутствуют.

Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, которая направлена на обеспечение высокого качества информационного обмена в существующих и перспективных системах передачи дискретной информации. В первую очередь это касается сотовых и спутниковых систем мобильной связи. Учитывая то, что количество абонентов этих систем неуклонно возрастает, а требования к качеству связи повышаются,

необходимость в превентивной разработке новых методов передачи информации становится совершенно очевидной.

Целью работы является разработка оптимальных и упрощенных неоптимальных алгоритмов фазовой, тактовой и цикловой синхронизации приемников сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции для повышения качества функционирования систем передачи дискретной информации.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1) Анализ существующих алгоритмов синхронизации приемников сигналов ЦИИМ.

2) Синтез новых эффективных алгоритмов фазовой, тактовой и цикловой синхронизации приемников сигналов ЦИИМ.

3) Анализ статических и динамических характеристик синтезированных алгоритмов синхронизации с помощью компьютерного моделирования.

4) Решение вопросов практической реализации цифрового приемника сигнала ЦИИМ, использующего синтезированные алгоритмы синхронизации, на базе интегральных микросхем с программируемой логикой.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Синтезированные на основе теории оптимальной нелинейной фильтрации алгоритмы совместной фазовой, тактовой и цикловой синхронизации, позволяют обеспечить прием сигналов ЦИИМ с минимальной средней квадратичной ошибкой в оценке задержки, фазы и индекса модуляции.

2. Разработанные на основе оптимального алгоритма упрощенные алгоритмы фазовой и тактовой синхронизации приемника на основе демодулятора Витерби позволяют обеспечить помехоустойчивость

приема, сравнимую с помехоустойчивостью оптимального алгоритма при значительно меньшей вычислительной сложности.

3. Использование предложенного алгоритма синхронизации на основе многофазной решетки в демодуляторе Витерби позволяет обеспечить квазикогерентный прием сигнала ЦИИМ с неизвестной начальной фазой.

4. Вычислительная сложность разработанных алгоритмов синхронизации позволяет реализовать приемник сигналов ЦИИМ полностью в цифровом исполнении на базе интегральных микросхем с программируемой логикой.

Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях:

1. 59-я научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2010)

2. 16-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2010)

3. 12-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA-2010» (Москва, 2010)

4. 8th IEEE East-West design & test symposium (EWDTS-2010) (Санкт-Петербург, 2010)

5. 60-я научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2011)

6. 61-я научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2012)

7. 2-я Международная заочная научно-техническая конференция «Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT-2012) (Тольятти, 2012)

8. 1-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем (РАДИОИНФОКОМ-2013)» (Москва, 2013)

9. 7-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2013).

10.3-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» «РАДИОИНФОКОМ-2017» (Москва, 2017).

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые дано системное описание и детальный анализ существующих методов синхронизации сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции.

• На основе методов оптимальной нелинейной фильтрации синтезированы новые алгоритмы совместной оценки фазы, задержки и индекса модуляции, применимые к сигналам ЦИИМ с рациональным индексом модуляции и произвольным частотным откликом.

• Разработаны новые упрощенные неоптимальные алгоритмы синхронизации, интегрированные в демодулятор Витерби, широко используемый для детектирования сигналов ЦИИМ.

• Построена программно-математическая модель полностью цифрового приемника сигнала ЦИИМ. С помощью данной модели впервые проведено всестороннее исследование динамических (переходных) характеристик синтезированных алгоритмов синхронизации.

• На базе микросхем программируемой логики реализованы формирователь и устройство демодуляции сигналов ЦИИМ. Практическая значимость диссертационной работы заключается в

следующем:

1) Разработанные алгоритмы фазовой и тактовой синхронизации

позволят при их внедрении в перспективные разработки систем передачи

дискретной информации осуществлять прием сигнала ЦИИМ с

флуктуирующей задержкой и фазой с вероятностью ошибки, близкой к вероятности ошибки при идеальной фазовой и тактовой синхронизации.

2) Разработанные алгоритмы оценки задержки и фазы легко интегрируются в структуру демодулятора Витерби, широко используемого для приема и обработки сигналов ЦИИМ.

3) Разработанная программно-математическая модель системы передачи информации позволяет исследовать работу вновь проектируемых приемников и систем синхронизации сигналов ЦИИМ как в установившемся, так и в переходном режиме при различном характере поведения задержки и фазы сигнала.

4) Предложены способы реализации модулятора и демодулятора сигналов ЦИИМ, защищенные патентами [14,15].

5) Разработан макет цифрового приемо-передающего узла энергетически эффективной помехозащищенной аппаратуры передачи данных спутниковых радиолиний, использующей сигналы ЦИИМ.

Результаты диссертационной работы использованы в «НИИ КС им. А.А. Максимова» при выполнении научно-исследовательской работы «Разработка и создание приемо-передающих узлов энергетически эффективной помехозащищенной аппаратуры передачи данных спутниковых радиолиний и аппаратуры контроля», проводимой в рамках программы Союзного государства «Разработка базовых элементов, технологий создания и применения орбитальных и наземных средств многофункциональной космической системы» («Космос-НТ»), в АО «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга» в работах, направленных на совершенствование аппаратуры систем передачи данных для радиоканалов со сложной помеховой обстановкой, а также в учебном процессе РТУ МИРЭА, о чем имеются акты внедрения.

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 статьи - в изданиях, входящих в Перечень ВАК. Получено 2 патента на полезную модель.

Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и приложений.

В первом разделе дается описание сигнала с циклически изменяющимся индексом модуляции, рассматриваются его энергетические и спектральные характеристики, дается обзор нормативной базы и перспектив использования сигналов ЦИИМ в системах передачи информации.

Во втором разделе с помощью имитационного моделирования анализируются различные существующие методы синхронизации сигналов ЦИИМ, в частности, рассмотрен метод, использующий спектральные свойства сигнала, метод, основанный на частотном детектировании, а также метод максимального правдоподобия.

В третьем разделе на основе аппарата условных марковских процессов синтезируются алгоритмы оценки задержки, фазы и индекса модуляции сигнала ЦИИМ с рациональным индексом модуляции и произвольным частотным откликом. С помощью имитационного моделирования исследуются дискриминационные и динамические характеристики алгоритмов, проводится анализ помехоустойчивости.

В четвертом разделе на основе разработанных оптимальных алгоритмов синтезируются упрощенные неоптимальные алгоритмы фазовой и тактовой синхронизации, интегрированные в демодулятор Витерби. С помощью имитационного моделирования проводится детальное исследование статических (дискриминационных) и динамических характеристик алгоритмов, оценивается вероятность ошибки в зависимости от отношения сигнал/шум в различных каналах связи. Проводится сравнительный анализ оптимального и неоптимального алгоритмов по таким параметрам, как потенциальная помехоустойчивость и сложность практической реализации.

В пятом разделе приводится описание программы-симулятора, написанной на языке высокого уровня для исследования синтезированных

алгоритмов синхронизации. Обсуждаются вопросы практической реализации передатчика и приемника сигнала ЦИИМ.

В заключении выносится оценка степени решенности поставленных основных задач, приводятся выводы по области применения разработанных алгоритмов синхронизации, обозначаются направления дальнейших исследований.

В приложение вынесены ключевые фрагменты исходных кодов программы-симулятора.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

СИГНАЛОВ ЦИИМ

В данном разделе приводится описание модулированных сигналов с непрерывной фазой, обосновывается перспективность исследования такого важного класса сигналов МНФ как сигналы с циклически изменяющимся индексом модуляции. Обозначаются современное применение и перспективы использования сигналов ЦИИМ в гражданских и военных целях.

Результаты исследований из настоящего раздела опубликованы в работе [23].

1.1. Особенности сигналов ЦИИМ

Приведем классическое определение модулированного сигнала с непрерывной фазой [13]

s(t) = А ■ еов(2 лД + Ф (I, С)) (1.1.1)

Здесь А - амплитуда, связанная с энергией Е сигнала на длительности тактового интервала Т соотношением А = ^2Е/Т,/- несущая частота,

да

Ф^,С) = ИСд^ - ¡Т) (1.1.2)

I=0

- информационная составляющая фазы, которая зависит от формы и продолжительности частотного импульса g(t)=dq(t)/dt. В выражении (1.1.2) q(t) - функция фазового импульса, Ы - индекс модуляции, в общем случае изменяющийся от одного тактового интервала к другому, С - вектор передаваемых информационных символов [С0,С1,...,С,,...], принимающих

одно из М возможных значений.

В зависимости от разрядности первичного алфавита М сигналы МНФ подразделяются на бинарные (М=2) и многопозиционные (М=4,8, и т.д.). В зависимости от длительности частотного импульса ЬТ различают сигналы с

полным (Ь=1) и частичным (£>1) откликом. Сигналы МНФ могут иметь фиксированный или переменный индекс модуляции, изменяющийся от одного тактового интервала к другому.

Также сигналы МНФ различаются по форме частотного импульса.

Частотный импульс может быть прямоугольной (ПРМНФ)

^(11-3)

или сглаженной формы, например в виде приподнятого косинуса (ПКМНФ)

8 (*) = Ш [1 - )] (1.1.4)

или полупериода синуса (ПСМНФ)

8 (I) = вт(п/ЬТ) (1.1.5)

Эти формулы записаны для интервала I е [0, ЬТ ].

Такое разнообразие видов модуляций с непрерывной фазой преследует одну цель - увеличить потенциальную помехоустойчивость сигнала, сохранив при этом высокую спектральную эффективность. Потенциальная помехоустойчивость может быть оценена с помощью вероятности ошибочного распознавания информационного символа, которая, в свою очередь, определяется по верхней границе минимального евклидова расстояния в пространстве сигналов МНФ [34]. Верхняя граница минимального евклидова расстояния зависит от длины фазовых траекторий двух сигналов МНФ с несовпадающими первыми информационными символами до точки их слияния [2]. Здесь под понятием фазовая траектория понимается поведение фазы (1.1.2) сигнала МНФ во времени.

Детальное исследование, проведенное в работе [2], позволяет судить о степени влияния того или иного параметра сигнала МНФ на его потенциальную помехоустойчивость. Так, увеличение размера первичного алфавита позволяет существенно повысить помехоустойчивость сигнала

МНФ. Однако для оптимального приема такого сигнала необходим демодулятор с весьма значительной глубиной принятия решения.

Применение сигналов с частичным откликом позволяет задержать первое неизбежное слияние фазовых траекторий, однако в этом случае существенное улучшение помехоустойчивости достигается только при больших значениях индекса модуляции, использование которых ведет к расширению спектра (таблица 1.1).

Использование частотного импульса сглаженной формы несколько снижает энергетические характеристики сигнала по сравнению с прямоугольным частотным импульсом, но позволяет существенно уменьшить уровень внеполосного излучения. Ставя перед собой задачу, добиться максимального снижения вероятности ошибки при приеме сигнала МНФ, а также с целью упрощения выкладок, мы в дальнейшем будем рассматривать преимущественно сигналы с прямоугольным частотным импульсом.

В работе [58] впервые предложено использовать фиксированное число К индексов модуляции, циклически изменяющихся на соседних тактовых интервалах, так что И, = И,+К. Циклическое изменение индексов модуляции (ЦИИМ) позволяет задержать слияние фазовых траекторий. В самом деле, на рис. 1.1 приведена фазовая диаграмма для сигнала ЦИИМ с двумя индексами модуляции, с полным откликом и прямоугольным частотным импульсом. Из рисунка видно, что первое неизбежное совпадение фазовых траекторий происходит через 3, а не через 2 тактовых интервала, как это имеет место для сигналов с постоянным индексом модуляции. В общем случае сигнала ЦИИМ с К индексами модуляции первое неизбежное совпадение происходит через (К+1) тактовый интервал [2].

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма сигнала ЦИИМ (£=2, Ь=1) с прямоугольным

частотным импульсом

1.2. Спектральная и энергетическая эффективность сигналов ЦИИМ

Использование ЦИИМ позволяет добиться высокой энергетической эффективности при небольших индексах модуляции и, следовательно, при узком спектре. В работе [2] показано, что при одинаковой полосе частот, энергетический выигрыш от применения ЦИИМ может превышать 2 дБ по сравнению с сигналами с постоянным индексом модуляции. Энергетический выигрыш оценивается по верхней границе йВ минимального евклидова расстояния.

В таблице 1.1 приведены расчетные значения йВ при различных величинах Ь и К для сигнала ЦИИМ с прямоугольным частотным импульсом. Значения й2в приведены к среднему арифметическому индексов

модуляции Ыср. Техника использования одного значения Ыср вместо набора hi позволяет упростить расчеты и справедлива в случае, когда индексы модуляции близки друг к другу по величине.

Таблица 1.1 Верхняя граница минимального евклидова расстояния [2]

К

Ь=1 Ь=2 Ь=3

1 2.43/0.72 4.00/1.00 4.17/1.00

2 4.00/0.50 4.60/0.85 4.80/1.00

3 4.86/0.72 5.65/0.77 5.68/0.96

4 4.86/0.72 6.42/0.77 6.45/0.94

Данные таблицы позволяют утверждать, что энергетическая эффективность сигнала с увеличением Ь и К растет, однако увеличение количества индексов модуляции влияет на энергетические характеристики в большей степени, чем удлинение частотного импульса.

Энергетическая эффективность сигнала ЦИИМ определяется потенциальной помехоустойчивостью его приема [12]. До сих пор мы оценивали потенциальную помехоустойчивость с помощью верхней границы минимального евклидова расстояния. Эта оценка справедлива при больших отношениях сигнал/шум. Более точно оценить потенциальную помехоустойчивость можно по верхней границе вероятности ошибки Ре.

Вероятность ошибки для различных сигналов ЦИИМ, принимаемых на фоне аддитивного белого шума, оценивалась в работах [31, 47] с помощью статистического моделирования. По результатам этих работ можно судить о потенциальной помехоустойчивости того или иного сигнального формата, но нельзя выбрать оптимальный формат, для которого вероятность ошибки минимальна.

Задача оптимизации сигнальных форматов ЦИИМ при наличии в канале связи различного рода помех решалась в работе [6, 7]. Приведем основные достигнутые результаты:

- наибольший выигрыш помехоустойчивости наблюдается при переходе от одного индекса модуляции к двум. Так использование сигнального формата ЦИИМ с двумя индексами модуляции позволяет снизить вероятность ошибки почти на порядок;

- сигнальные форматы ЦИИМ, оптимальные в канале с белым гауссовским шумом, сохраняют свои преимущества и при наличии в канале связи различного рода помех;

- увеличение длины частотного импульса Ь при прочих равных условиях не приводит к существенному изменению вероятности ошибки. Однако при этом наблюдается значительное уменьшение уровня внеполосного излучения.

Наилучшие с точки зрения спектральной и энергетической эффективности сигнальные форматы ЦИИМ приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Сигнальные форматы, оптимальные для использования в радиоканалах со сложной помеховой обстановкой [5]

Сигнальный формат

Форма частотного импульса Ь Й1/Й2 Интервал обработки сигнала, N

ПРМНФ 1 0.78/0.58 4

ПСМНФ 1 0.56/0.76 3

ПСМНФ 1 0.52/0.7 4

Имея в виду данные из таблицы 1.2, мы в дальнейшем будем рассматривать только сигналы ЦИИМ с полным откликом.

1.3. Перспективы использования сигналов ЦИИМ в системах передачи

информации

Первоначально сигналы с циклически изменяющимся индексом модуляции разрабатывались для сигналов спутниковых коммуникаций [35]. Компактный спектр сигнала и высокая энергетическая эффективность делают этот вид модуляций идеальным для каналов с ограниченной полосой. В настоящее время сигналы ЦИИМ с успехом применяются в узлах передачи данных спутниковых радиолиний и телеметрии. Примером тому могут служить научно-исследовательские работы, проводимые в рамках Союзного государства и включающие разработку базовых элементов, технологий создания и применения орбитальных и наземных средств многофункциональной космической системы («КОСМОС-НТ»). Среди прочего, сигналы с циклически изменяющимся индексом модуляции включены в американский стандарт Министерства обороны США, который регламентирует использование сигналов ЦИИМ для каналов СВЧ спутниковой связи в системах тактической и дальней связи [57]. Стандарт устанавливает технические характеристики сигналов, применимых для использования в системах спутниковых коммуникаций, использующих 5-кГц и 25-кГц полосы в диапазоне частот 300 МГц — 3 ГГц. Стандарт охватывает системы передачи информации с единичным доступом (single-access), однако более поздние разработки показали, что ЦИИМ как сигнальный формат перспективен также для систем с множественным доступом (DAMA), например, спутниковых терминалов с малой антенной (VSAT).

Военный стандарт в области спутниковых коммуникаций разделяет доступный частотный диапазон на независимые частотный каналы шириной

5 кГц и 25 кГц. Таким образом, спутниковые пары, работающие совместно, используют 78 каналов в диапазоне СВЧ. Пропускная способность канала ограничена шириной спектра. В настоящее время запросы на использование каналов спутниковых коммуникаций значительно превосходят имеющиеся ресурсы.

В связи с этим разработка и исследование сигнальных форматов, обладающих высокой спектральной и энергетической эффективностью, представляет огромный практический интерес.

Существующие сигнальные форматы, используемые в системах спутниковых коммуникаций, применяют двоичную и квадратурную фазовую манипуляцию и позволяют передавать данные с частотой 6 кБит/с для каналов 5-кГц и 32 кБит/с в случае каналов 25-кГц. Стандарт М1Ь-8ТВ-188-181В вводит новый сигнальный формат ЦИИМ, позволяющий передавать данные с частотой 9,6 кБит/с и 48 кБит/с для каналов 5 кГц и 25 кГц, соответственно [57].

1.3.1. Применение сигналов ЦИИМ в системах спутниковой связи

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проводимые в России в последнее десятилетие, направлены на разработку алгоритмов приема и синхронизации сигналов с непрерывной фазой и циклически изменяющимся индексом модуляции для высокоскоростной помехозащищенной аппаратуры передачи цифровой информации для космических радиолиний. К таковым относится, в частности, ОКР «ППУ ПЗА», проводимая в рамках Союзного государства «Разработка базовых элементов, технологий создания и применения орбитальных и наземных средств многофункциональной космической системы» («Космос-НТ»).

Согласно техническому заданию в 2009 г. в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) были выполнены следующие работы:

- разработаны адаптивные алгоритмы подавления помех для помехозащищенной аппаратуры передачи данных спутниковых радиолиний, использующей сигналы ЦИИМ;

- разработана и испытана лабораторная модель универсальной многоканальной мобильной системы сбора и обработки данных для контроля приемо-передающих узлов аппаратуры передачи данных спутниковых радиолиний.

Отметим, что в качестве оптимального приемного устройства, был выбран демодулятор Витерби с многофазной решеткой [8].

Другим важным применением сигналов ЦИИМ в системах спутниковой связи является военный стандарт для тактической и дальней связи М1Ь-8ТБ-188-181. Согласно этому стандарту системы СВЧ спутниковой связи, используемые для военных целей, включают транспондеры, жестко ограничивающие амплитуду сигнала. Таким образом, сигнальные форматы амплитудной манипуляции, автоматически исключаются из рассмотрений, уступая место сигнальным форматам с постоянной огибающей. К таковым относятся сигналы фазовой и частотной манипуляции.

Сигналы фазовой манипуляции (ФМн) традиционно используются для целей спутниковой связи, однако имеют недостатки. Главным недостатком сигналов Фмн является недостаточная спектральная эффективность. Так, неожиданный «скачок» фазы приводит к сильному внеполосному изучению, что ухудшает характеристики передатчиков, использующих соседние каналы. Применение фильтров не позволяет улучшить ситуацию, так как в результате фильтрация получается сигнал с непостоянной огибающей.

Одним из решений указанных недостатков является использование специального вида фазово-манипулированных сигналов БВРБК [53]. Модуляция сигнала БВРБК отличается постепенным изменением фазы несущей на 180 град. в течение половины периода. Данные сигнальный формат совместим с сигналом двоичной фазовой манипуляции.

Главным преимуществом данного вида модуляции является значительно более высокая скорость спада боковых лепестков в спектре сигнала по сравнению с ФМн. Основным недостатком предложенной схемы является меньшая энергоэффективность и, как следствие, большая вероятность ошибки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Унгер, Антон Юрьевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. - М.: Советское радио, 1970. -337 с.

2. Емельянов П.Б., Парамонов А.А. Дискретные сигналы с непрерывной фазой // Зарубежная радиоэлектроника. - 1990. - № 12. - С. 17-34.

3. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика. - М.: Высшая школа, 1990. - 215 с.

4. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М.: Госэнергоиздат, 1956. - 470 с.

5. Куликов Г.В. Методы помехоустойчивого приема модулированных сигналов с непрерывной фазой в каналах связи с нефлуктуационными помехами: дис. д-ра техн. наук: 05.12.04. - М. - 2003. - 356 с.

6. Куликов Г.В. Прием сигналов с циклически изменяющимся индексом манипуляции: сб. науч. тр. М.: МИРЭА. - 1989. - С. 56-60.

7. Куликов Г.В., Баланов М.Ю., Парамонов К.А. Адаптивная фильтрация сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции в условиях действия нефлуктуационных помех // 9-я международная науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь»: сб. науч. тр. Воронеж. - 2003. - С. 17-22.

8. Куликов Г.В., Суханов П.Г. Исследование возможностей фазовой самосинхронизации демодулятора Витерби с многофазной решёткой // Научный вестник МИРЭА. - 2009. - №1(6). - С. 35-41.

9. Куликов Г.В., Унгер А.Ю., Суханов П.Г. Фазовая и тактовая синхронизация демодулятора Витерби сигналов с непрерывной фазой // Радиотехника и электроника. - 2011. - Т. 56. - С. 705-711.

10. Кульман Н.К., Стратонович Р.Л. Фазовая автоподстройка частоты и оптимальное выделение параметров узкополосного сигнала с непостоянной частотой // Радиотехника и электроника - 1964. - Т. 9. - № 1. - С. 67-77.

11. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. - 682 с.

12. Парамонов К. А. Сигналы с асимметричными циклически изменяющимися индексами модуляции и методы их приема: дис. канд. техн. наук: 05.12.04. - М., 2006. - 119 с.

13. Прокис Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000. - 890 с.

14. Пат. RU 103149 U1 Российская Федерация. Устройство для демодуляции частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой // Суханов П.Г., Унгер А.Ю., Куликов Г.В., Парамонов А.А., Баланов М.Ю., Стариковский А.И.; заявитель и патентообладатель Московский технологический университет. - №2010146112/09; заявл. 12.11.2010; опубл. 20.03.2011. - 2 с.

15. Пат. RU107429 U1 Российская Федерация. Формирователь сигналов с частотной модуляцией // Черепнёв А.А., Унгер А.Ю., Куликов Г.В., Парамонов А.А., Баланов М.Ю., Стариковский А.И.; заявитель и патентообладатель Московский технологический университет. -№2010148025/09; заявл. 26.11.2010; опубл. 10.08.2011. - 2 с.

16. Стратонович Р.Л. К теории оптимальной нелинейной фильтрации случайных функций // Теория вероятностей и ее применение. - 1959. - №2. -С. 239-242.

17. Тихонов В.И. Помехоустойчивость оптимальных методов приема ФМ и 4M радиосигналов // Электросвязь. - 1969. - №3. - С. 20-26.

18. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. - М.: Советское Радио, 1975. - 510 с.

19. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Оптимальный прием дискретных сигналов и тактовая синхронизация // Радиотехника и электроника. - 1980. - Т. 25. - № 3. - С. 540-551.

20. Тихонов В.И., Харисов В.Н., Смирнов В.А. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов // Радиотехника и электроника. - 1978. -Т. 23. - № 7. - С. 1441-1452.

21. Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов. - М.: Советское Радио, 1977. - 430 с.

22. Унгер А.Ю. Алгоритм синхронизации сигналов МНФ с произвольным индексом модуляции // 7-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь»: сб. докл. - М., 2013. С. 12-17.

23. Унгер А.Ю. Использование спектральных свойств сигналов с непрерывной фазой для построения систем фазовой и тактовой синхронизации // 59-я научно-техническая конференция МИРЭА: сб. науч. тр. - М., 2010. - С. 68-73.

24. Унгер А.Ю. Моделирование системы синхронизации приемника сигналов с непрерывной фазой и циклически изменяющимся индексом модуляции // 1-я Международная научно-практическая конференция РАДИОИНФОКОМ-2013: сб. науч. тр. - М., 2013. - С. 145-149.

25. Унгер А.Ю. Синхронизация приемников сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции // 2-я Международная заочная научно-техническая конференция 1ТЯТ-2012: сб. статей. - Тольятти, 2012. - С. 311— 319.

26. Унгер А.Ю., Бондарев Ю.С. Реализация модулятора сигнала ЦИИМ на базе ПЛИС // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2011. - №164(2). - С. 5-10.

27. Унгер А.Ю., Куликов Г.В. Исследование фазовой синхронизации в демодуляторе Витерби с дополнительными фазовыми состояниями // 16-я международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл. - М., 2010. - С. 84-85.

28. Унгер А.Ю., Куликов Г.В. Фазовая синхронизация в демодуляторе Витерби сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции // 12-я Международная конференция и выставка DSPA-2010: сб. науч. тр. - М., 2010. - С. 240-243.

29. Унгер А.Ю., Куликов Г.В. Алгоритм синхронизации сигналов с непрерывной фазой и циклически изменяющимся индексом модуляции методом частотного детектирования // 3-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития

радиотехнических и инфокоммуникационных систем»: сб. науч. тр. - М., 2017. - С. 118-128.

30. Унгер А.Ю., Суханов П.Г. Реализация цифрового модема сигнала с циклически изменяющимся индексом модуляции // Научный вестник МИРЭА. - 2011. - №1(10). - С. 22-27.

31. Anderson J. Simulated error performance of multi-h phase codes / J. Anderson // IEEE Trans. Inform. Theory. - 1981. - Vol. 27. - No. 3. - pp. 357-362.

32. Andeerson J., Aulin T. Digital Phase Modulation. - N.Y.: Plenum Publishing Company, 1986. - 613 p.

33. Anderson J., R. De Buda Better phase-modulation error performance using trellis phase code // Electron. Lett. - 1976. - Vol. 12. - No. 22. - pp. 587-588.

34. Aulin T., Sundberg C. On the minimum Euclidean distance for a class of signal space codes // IEEE Trans. Inform. Theory. - 1982. - Vol. 28. - No. 1. - pp. 4355.

35. Bhargava V.R. Digital Communications by Satellite. - N.Y.: Wiley, 1981. -603 p.

36. Box G., Muller M. A Note on the Generation of Random Normal Deviates // The Annals of Mathematical Statistics. - 1958. - Vol. 29. - No. 2. - pp. 610-611.

37. D'Andrea A., Ginesi A., Mengali U. Frequency detectors for CPM signals // IEEE Trans. Comm. - 1995. - Vol. 43. - pp. 1828-1837.

38. D'Andrea A. Mengali U., Morelli M. Symbol timing estimation with CPM modulation // IEEE Trans. Comm. - 1996. - Vol. 44. - pp. 1362-1372.

39. D'Andrea A., Mengali U., Reggiannini R. Carrier Phase and Clock Recovery for Continuous Phase Modulated Signals // IEEE Trans. Comm. - 1987. - Vol. 35. - No. 10. - pp. 1095-1101.

40. D'Andrea A., Mengali U., Reggiannini R. The Modified Cramer-Rao Bound and Its Applications to Synchronization Problems // IEEE Trans. Comm. - 1994. -Vol. 42. - pp. 1391-1399.

41. De Buda R. Coherent demodulation of frequency-shift keying with low deviation ratio // IEEE Trans. Comm. - 1972. - Vol. 20. - pp. 429-435.

42. Farrow C.W. A continuously variable digital delay element // IEEE Int. Symp.

- 1988. - Vol. 51. - pp. 2641-2645.

43. Gardner F.M. A BPSK/QPSK Timing-Error Detector for Sampled Receivers // IEEE Trans. Comm. - 1986. - Vol. 34. - pp. 423-429.

44. Gardner, F.M. Interpolation in Digital Modems // IEEE Trans. Comm. - 1993.

- Vol. 41. - pp. 501-507.

45. Gardner F.M. Phaselock Techniques. - N.Y.: Wiley, 2005. - 290 p.

46. Ginesi A., Mengali U., Morelli M. Symbol and superbaud timing recovery in multi-h continuous-phase modulation // IEEE Trans. Comm. - 1999. - Vol. 47. -pp. 664-666.

47. Holubowicz W. Optimum parameter combinations for multi-h phase codes // IEEE Trans. on Comm. - 1990. - Vol. 38. - pp. 1929-1931.

48. Kalman R.E. A new approach to linear filtering and prediction problems // Journal of Basic Engineering. - 1960. - No. 82. - pp. 35-45.

49. Kopta A. New universal all-digital CPM modulator // IEEE Trans. on Comm. -1987. - Vol. 35. - pp. 458-462.

50. Kroupa V.F. Direct Digital Frequency Synthesizers. - N.Y.: IEEE Press, 1999.

- 90 p.

51. Kulikov G.V., Unger A.Yu., Suhanov P.G. A digital implementation of multi-h CPM modem // Pro^ 8th IEEE East-West Design & Test Symposium. - St. Petersburg, 2010. - pp. 271-273.

52. Laurent P. A. Exact and approximate construction of digital phase modulations by superposition of amplitude modulated pulses // IEEE Trans. Comm. - 1986. -Vol. 34. - pp. 150-160.

53. Terrance J., Dapper M. SBPSK: A Robust Bandwidth-Efficient Modulation for Hard-Limited Channels // Military Communications Conference. - San Diego, 1984. - pp. 20-26.

54. Mazur B., Taylor D. Demodulation and carrier synchronization of multi-h phase codes // IEEE Trans. on Comm. - 1981. - Vol. 29. - pp. 257-266.

55. Mengali U., D'Andrea A. Synchronization techniques for digital receivers. -N.Y.: Plenum Press, 1997. 410 p.

56. Meyr H. Digital Communication Receivers. - N.Y.: Wiley, 1998. - 680 p.

57. MIL-STD-188-181B. Interoperability Standard for Single-Access 5-kHz and 25-kHz UFH Satellite Communications Channels. - U.S. Department of Defense Interface Standard, 1999. - 151 p.

58. Miyakawa H. A new digital modulation scheme, multi-code binary CPFSK // Proc. 3rd Int. Conf. on Digital Satellite Comm. - 1975. - pp. 105-112.

59. Morelli M., Mengali U., Vitetta G. Joint phase and timing recovery with CPM signals // IEEE Trans. Comm. - 1997. - Vol. 45. - pp. 867-876.

60. Perrins E. Symbol Timing Recovery for CPM with Correlated Data Symbols // IEEE Transactions on Communications. - 2009. - Vol. 57. - p. 1265-1270.

61. IRIG Standard 106: Telemetry Standards. - Range Commanders Council Telemetry Group, 2000. - URL: http://www.ntia.doc.gov/osmhome/106.pdf.

62. Svensson A., Aulin T. A class of reduced-complexity Viterbi detectors for partial response continuous phase modulation // IEEE Trans. on Comm. - 1984. -Vol. 32. - pp. 1079-1087.

63. Ziegler J.G. Optimum Settings for Automatic Controllers // Trans. of the ASME. - 1942. - Vol. 64. - pp. 759-768.