Помехоустойчивость систем связи с однополосной угловой модуляцией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.17, кандидат технических наук Смородинов, Александр Александрович

• Смородинов, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смородинов, Александр Александрович

Содержание

Введение

1 Обзор методов формирования сигналов с однополосной угловой модуляцией. Постановка задач исследования

1.1 Метод формирования сигнала с однополосной угловой модуляцией, построенный на базе определения аналитического сигнала

1.2 Метод непосредственной фильтрации колебания одной боковой полосы частот и несущей сигнала с угловой модуляцией при малых индексах модуляции

1.3 Использование в качестве колебания с однополосной угловой модуляцией боковой полосы частот одной из квадратур колебания с угловой модуляцией

1.4 Постановка задач исследования

2 Потенциальная помехоустойчивость систем связи с однополосной угловой модуляцией

2.1 Обобщенный выигрыш системы связи с однополосной угловой модуляцией

2.1.1 Обобщенный выигрыш системы связи с однополосной фазовой модуляцией

2.1.2 Обобщенный выигрыш системы связи с однополосной частотной модуляцией

2.2 Обобщенный выигрыш системы связи с однополосной угловой модуляцией при передаче гармонического сигнала

2.3 Обобщенный выигрыш системы связи с однополосной угловой модуляцией при передаче сообщения, допускающего представление нормальным случайным процессом

2.3.1 Относительный обобщенный выигрыш системы связи с однополосной фазовой модуляцией

2.3.2 Относительный обобщенный выигрыш системы связи с однополосной частотной модуляцией

2.4 Обобщенный выигрыш системы связи с однополосной фазовой модуляцией при передаче речевого сигнала

2.5 Выводы

3 Характеристики сигналов с однополосной угловой модуляцией при модуляции случайными процессами

3.1 Ковариационная функция сигнала с однополосной угловой модуляцией при модуляции нормальным; случайным процессом

3.2 Энергетический спектр сигнала с однополосной фазовой модуляцией при модуляции нормальным случайным процессом

3.3 Средняя мощность и пикфактор сигналов с однополосной угловой модуляцией при модуляции нормальным случайным процессом

3.3.1 Средняя мощность сигналов с однололосной угловой модуляцией при модуляции нормальным случайным процессом

3.3.2 Пикфактор сигналов с однополосной угловой модуляцией при модуляции нормальным случайным процессом

3.4 Средняя мощность и пикфактор сигнала с однополосной фазовой модуляцией при модуляции речевым сигналом

3.4.1 Средняя мощность сигнала с однополосной фазовой модуляцией при модуляции речевым сигналом

3.4.2 Пикфактор сигнала с однополосной фазовой модуляцией при модуляции речевым сигналом

3.5 Выводы

4 Оптимальная фильтрация гауссовского сообщения в канале связи с однополосной угловой модуляцией

4.1 Некоторые результаты теории оптимальной нелинейной фильтрации, используемые в работе

4.1.1 Формулировка задачи

4.1.2 Решение задачи

4.2 Нелинейная фильтрация скалярного гауссовского экспоненциально коррелированного сообщения в канале связи с однополосной фазовой модуляцией

4.2.1 Уравнения фильтрации в непрерывном времени

4.2.2 Уравнения фильтрации в дискретном времени

4.2.3 Моделирование оптимального приемника сигналов с однополосной фазовой модуляцией

4.3 Нелинейная фильтрация скалярного гауссовского экспоненциально коррелированного сообщения в канале связи с однополосной частотной модуляцией

4.3.1 Уравнения фильтрации в непрерывном времени

4.3.2 Уравнения фильтрации в дискретном времени

4.4 Выводы

5 Помехоустойчивость приемника сигналов с однополосной частотной модуляцией

5.1 Анализ влияния аддитивной помехи на работу приемника сигналов с однополосной частотной модуляцией

5.2 Расчет отношения сигнал-шум на выходе приемника сигналов с однополосной частотной модуляцией при передаче гармонического сигнала

5.2.1 Изложение методики моделирования и результаты моделирования

5.2.2 Анализ результатов моделирования

5.3 Оценка качества работы приемника сигналов с однополосной частотной модуляцией в условиях аддитивной гауссовой помехи и передаче речевого сообщения методом артикуляционных испытаний

5.3.1 Методика проведения артикуляционных испытаний

5.3.2 Результаты оценки качества работы приемника методом артикуляционных испытаний

5.4 Выводы

6 Прохождение сигналов с однополосной угловой модуляцией через линейные цепи

6.1 Анализ нелинейных искажений модулирующего сигнала при прохождении сигналов с однополосной угловой модуляцией через линейные цепи

6.2 Методы борьбы с фазовыми искажениями сигналов в линейных цепях

6.3 Выводы

Заключение

Приложения

А Вывод дискретных уравнений нелинейной фильтрации скалярного гауссовского экспоненциально коррелированного сообщения в канале связи с однополосной фазовой модуляцией

В Вывод дискретных уравнений нелинейной фильтрации скалярного гауссовского экспоненциально коррелированного сообщения в канале связи с однополосной частотной модуляцией

С Программа для моделирования работы приемника сигналов с однополосной частотной модуляцией

D Артикуляционная таблица русской речи

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Помехоустойчивость систем связи с однополосной угловой модуляцией»

Введение

Актуальность темы. Стремительное развитие во всем мире систем персональной подвижной связи [1], глобальных сетей передачи данных [2] делает проблему эффективного использования радиоспектра чрезвычайно острой. Использование для передачи информации сигналов с однополосным спектром позволяет в значительной мере уменьшить эту остроту.

Широко известным является способ передачи одной боковой полосы амплитудно-модулированного колебания (ОВП-АМ) [3], недостатком которого является, однако, невысокая потенциальная помехоустойчивость [4]. Тем не менее отдельные виды ОБП-АМ рекомендуются Международным консультативным комитетом по радио (МККР) для решения проблемы тесноты в полосах частот сухопутной подвижной радиосвязи ¡5), а на Всемирной административной радиоконференции по высокочастотному радиовещанию в 1987 г. было принято решение о подготовке к переходу на однополосное радиовещание в срок до 31 декабря 2015 г. [6].

Дальнейшим развитием систем однополосной связи является использование для передачи информации сигналов с однополосной угловой модуляцией (ОУМ), потенциальная помехоустойчивость которых выше, чем у сигналов ОВП-АМ [7]. Существенная несимметричность спектра сигналов с угловой модуляцией (УМ) [8] создала определенные препятствия на этом пути. В результате было создано несколько методов формирования сигналов с ОУМ [9], [10], [11], различающихся способами преодоления этого противоречия.

Два первых метода [9], [10] имеют значительные недостатки, в результате чего индекс модуляции практически ограничен величи-

ной близкой к 1. В [11] Волковым А. А. предложен новый способ формирования сигнала с ОУМ, свободный от этих недостатков, а Шахмаевым М. М. в [7], [12] для отдельных случаев показана высокая помехоустойчивость такого вида ОУМ и устройств для приема этих сигналов. Все это говорит о возможности построения в перспективе на базе нового метода ОУМ систем связи (СС) с увеличенной почти в два раза пропускной способностью (по сравнению с СС на базе УМ) при сохранении высокой верности передачи информации. Однако для практического использования этого потенциала необходимо рассмотреть ряд вопросов связанных с потенциальной помехоустойчивостью таких СС, построением оптимальных приемников, анализом помехозащищенности существующих схем приемников, предложенных Шахмаевым М. М. [12].

Указанные выше возможности нового вида ОУМ и огромное значение высокоскоростных СС в жизни современного общества говорят о большой актуальности этого направления исследования.

Цель работы. Проанализировать и оценить потенциальную помехоустойчивость нового вида ОУМ для разных видов передаваемых сообщений. Синтезировать схемы оптимальных приемных устройств. Оценить помехоустойчивость существующих и синтезированных приемников для таких сигналов. Определить энергетические характеристики сигнала с ОУМ, необходимые для построения С С на его основе.

Метода исследования. В работе широко использовал математический аппарат теории вероятностей. Это в основном следующие разделы: линейные и нелинейные преобразования случайных процессов; теория оптимальной нелинейной фильтрации случайных процессов; стохастические дифференциальные уравнения. В решении ряда задач широко используется математическое моделирование на ЭВМ.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Найдены выражения для обобщенного выигрыша СС с ОУМ в

отношении сигнал-шум (ОСШ), пригодные для широкого класса передаваемых сообщений.

2. Получены энергетические характеристики сигналов с ОУМ при модуляции случайными процессами.

3. Определены структуры оптимальных (в смысле минимума среднего квадрата ошибки) устройств для приема сигналов с ОУМ и оценена их помехоустойчивость.

4. Проведен анализ помехоустойчивости приемника сигналов с однополосной частотной модуляцией (ОЧМ), структура которого получила в настоящее время наибольшее распростажение.

5. Оценены нелинейные искажения сообщения, возникающие при прохождении колебаний с ОУМ через линейные цепи.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработка основных вопросов диссертации позволила:

• доказать высокую помехоустойчивость ОУМ при передаче различных типов информационных сигналов;

• определить ряд энергетических характеристик сигналов с ОУМ, необходимых при построении передающих устройств на их базе;

• разработать структуры оптимальных приемных устройств для сигналов с ОУМ;

• оценить реальные возможности приемника сигналов с ОЧМ в смысле его помехоустойчивости и дать рекомендации по ее повышению;

• оценить качество передачи речевого сообщения в СС, использующей ОЧМ;

• выявить и оценить влияние линейных искажений сигнала с ОУМ на качество передачи информации и рекомендовать методы коррекции этих искажений.

На основе новых научных результатов, полученных в ходе исследований, ниже сформулированы следующие

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Структуры оптимальных приемников для сигналов с ОУМ.

2. Результаты оценки помехоустойчивости оптимального приемника сигналов с однополосной фазовой модуляцией (ОФМ).

3. Результаты оценки помехоустойчивости приемника сигналов с ОЧМ, построенного по методу Шахмаева М. М..

4. Результаты оценки обобщенного выигрыша СС с ОУМ для широкого класса сообщений.

5. Энергетические характеристики сигналов с ОУМ при модуляции случайными процессами.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на межведомственном научно-техническом семинаре «Повышение эффективности радиоэлектронных средств РВиА сухопутных войск» (Санкт-Петербург., Михайловская артиллерийская академия, 14, 15 апреля 1997 г.), на 9-й межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: Опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» (Петродворец, Высшее военно-морское училище радиоэлектроники имени А. С. Попова, 19, 20 марта 1998 г.), на научной сессии аспирантов Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (Санкт-Петербург, 13-17 апреля 1998 г.).

Реализация результатов работы. Результаты работы нашли применение в учебных курсах СПбГУАП «Радиотехнические системы передачи информации», «Устройства приема и обработки сигналов» по специальности 2007, а также в курсовом и дипломном проектировании.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатные работы, в том числе 2 статьи и 2 доклада на конференциях (тезисы).

Заключение диссертации по теме «Радиотехнические и телевизионные системы и устройства», Смородинов, Александр Александрович

Заключение

Перечислим основные результаты диссертационной работы.

1. Найдены и проанализированы выражения, позволяющие определить обобщенный выигрыш в отношении сигнал-шум С С с ОУМ, для следующих случаев:

• СС с ОФМ и ОЧМ при передаче сигнала, допускающего представление нормальным случайным процессом;

• СС с ОФМ при передаче речевого сигнала;

• в результате анализа сделан важный вывод о том, что потенциальная помехоустойчивость СС с ОУМ выше, чем СС с УМ при малых индексах модуляции, а при стремлении индекса модуляции к бесконечности помехоустойчивости этих СС сравниваются.

2. Найдены энергетические характеристики сигналов с ОУМ при модуляции случайными процессами:

• энергетический спектр сигнала с ОФМ при модуляции нормальным случайным процессом;

• средняя мощность сигналов с ОФМ и ОЧМ при модуляции нормальным случайным процессом;

• пикфактор сигналов с ОФМ и ОЧМ при модуляции нормальным случайным процессом;

• средняя мощность и пикфактор сигнала с ОФМ при модуляции речевым сигналом;

• сделан вывод о том, что при малых индексах модуляции средняя мощность и пикфактор сигналов с ОУМ равны соответствующим значениям для модулирующего сигнала, а при стремлении индекса модуляции к бесконечности средняя мощность и пикфактор сигналов с ОУМ и УМ совпадают.

3. Синтезированы структуры оптимальных (в смысле минимума среднего квадрата ошибки) устройств для приема сигналов с ОУМ на фоне аддитивной гауссовской помехи в виде белого шума:

• оптимальный приемник для фильтрации скалярного гаус-совского экспоненциально коррелированного сообщения в канале связи с ОФМ (для непрерывного и дискретного времени);

• оптимальный приемник для фильтрации скалярного гаус-совского экспоненциально коррелированного сообщения в канале связи с ОЧМ (для непрерывного и дискретного времени).

4. Методом математического моделирования на ЭВМ показано соответствие качественных показателей работы синтезированного приемника сигналов с ОФМ теоретическим значениям, полученным на базе теории потенциальной помехоустойчивости.

5. Проанализирована помехоустойчивость устройства для приема сигналов с ОЧМ со структурой, предложенной в [22], при аддитивной гауссовой помехе для двух случаев:

• передача гармонического колебания при учете взаимодействия сигнала и помехи в схеме приемника, для этого случая показало:

- приемник не реализует высокую потенциальную помехоустойчивость сигнала с ОЧМ;

- амплитудное ограничение сформированного в приемнике сигнала с ЧМ увеличивает помехоустойчивость приемника незначительно;

- фильтрация сформированного сигнала с ЧМ полосовым фильтром перед детектированием значительно увеличивает помехоустойчивость приемника;

- приемнику свойственен пороговый эффект, но в меньшей степени, чем традиционному приемнику сигналов с ЧМ;

• передача реального речевого сообщения (оценка методом артикуляционных испытаний), для этого случал показано, что надежность связи при приеме речевых сигналов допустимо определять по кривым помехоустойчивости, найденным для случая модуляции гармоническим сигналом.

6. Оценены нелинейные искажения сообщения, возникающие при прохождении сигналов с ОУМ через линейные цепи и даны рекомендации по их уменьшению, при этом установлено:

• нелинейные искажения сообщения при прохождении сигналов с ОУМ через линейные цепи существенно больше, чем для сигналов с УМ;

• основной проблемой при фильтрации сигналов с ОУМ является уменьшение влияния фазовых искажений в фильтрах на нелинейные искажения сообщения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смородинов, Александр Александрович, 1998 год

Литература

1. Ламекин В. Ф. Сотовая связь. — Ростов-на-Дону.: Изд-во «Феникс», 1997. — 176 с.

2. FitzGerald J., Dennis A. Business Data Communications and Networking. — N.Y.: John Wiley, 1993. — 562 c.

3. Верзунов M. В. Однополосная модуляция в радиосвязи. — M.: Воениздат, 1972. — 296 с.

4. Зюко А. Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи.

— М.: Связь, 1972. — 360 с.

5. 899 отчет МККР, XV Пленарная Ассамблея. — Женева, 1982, Т. 8.

6. Варбанский А. Организация мирового радиовещания//Радио.

— 1991. — № 6. — С. 14-17.

7. Волков А. А. Потенциальная помехоустойчивость систем связи с однополосной угловой модуляцией//Изв. вузов. Радиоэлектроника. — 1985. — № 3. — С. 35-39.

8. Картьяну Г. Частотная модуляция. — Изд-во академии Румынской народной республики, 1961. — 580 с.

9. Патент 3.054.073 (США)/К. H. Powers, September, 1962.

10. Патент 32284 (Япония). Однополосная система связи на базе угловой модуляции/И сигами Хакаити, Накоми Тайпиро, 12.09.1971.

11. А.с. 792526 (СССР). Устройство формирования однополосного сигнала с угловой модуляпией/А. А. Волков. — Опубл. в БИ. — 1980. — № 48.

12. Шахмаев М. М, Однополосная угловая модуляция в радиосвязи. — Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1991. — 149 с.

13. Bedrosian Е. The analytic signal representation of modulated wave forms//Proc. IRE. — 1962. — Vol. 50, October. — P. 2071-2076.

14. Назаров M. В., Кувшинов Б. И., Попов О. В. Теория передачи сигналов. — М.: Связь, 1970. — 368 с.

15. Kahn R. Е., Thomas J. В. Bandwidth properties and optimum demodulation of single-sideband FM//IEEE Trans. —- 1966. — Vol. COM-14, № 2. — P. 113-117.

16. Mazo J. E., Salz J. Spectral properties of single-sideband angle modulation//IEEE Trans. — 1968. — Vol. COM-16, № 1. — P. 5262.

17. Кувшинов Б. И. Потенциальная помехоустойчивость систем связи с однополосной угловой модуляцией//Радиотехника. — 1970. — Т. 25. — № 2. — С. 100-105.

18. Couch L. W. Signal-to-noise ratio out of an ideal FM detector for SSB FM plus Gaussian noise at the input//IEEE trans. (Concise Papers) — 1969. — Vol. COM-17, № 5. — P. 591-592.

19. Snider A. J., Shilling D. L. The response of a quasi-SSB-FM system to noise//IEEE Trans. — 1970. — Vol. COM-18, Ш 6. — P. 763-772.

20. Шахмаев M. M. К теории передачи информации однополосным сигналом с угловой модуляцией//Радиоэлектронные устрой-ства.Межвузовский сборник. — Казань. — 1978. — Вып. 2. — С. 91-93.

21. Шахмаев М. М. Однополосная угловая модуляция в радиосвязи: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. 1994. — 31 с.

22. Шахмаев М. М. Система связи с однополосной частотной модуляцией//Радиотехника. —- 1991. — Я* 8. — С. 6-9.

23. Шахмаев М. М. Приемник сигналов с однополосной фазовой модуляцией при индексах (3 < 0.57г рад//Радиотехника. — 1996. — № 1. — С. 11-13.

24. Шахмаев М. М. Приемник сигналов с однополосной фазовой модуляцией//Радиотехника. — 1997. — № 10. — С. 76-78.

25. Шахмаев М. М. Помехозащищенность приемника с однополосной частотной модуляцией//Радиотехника. — 1992. — № 9. — С. 12-15.

26. Шахмаев М. М., Базлов Е. Ф., Эпиктетов Л. А. Помехозащищенность приемника сигналов с однополосной частотной модуляцией//Радиотехника. — 1996. — № 6. — С. 39-40.

27. Шахмаев М. М. Проблема порога в приемнике сигналов с однополосной частотной модуляцией//Радиотехника. — 1992. — № 10-11. — С. 38-40.

28. Рыжик И. М., Градштейн И. С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. — М., Л.: Госз^дарственное изд-во технико-теоретической литературы, 1951. — 464 с.

29. Смородинов А. А. К вопросу о потенциальной помехоустойчивости систем связи с однополосной угловой модуляцией. — Санкт-Петербург, 1996. — 11 с. — Рукопись предоставлена Санкт-Петербургской государственной академией аэрокосмического приборостроения. Деп. в ВИНИТИ 20 ноября 1996, № 3372-В96.

30. Котельников В. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. — М.: Госэнергоиздат, 1956. — 152 с.

31. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. — М.: Радио и связь, 1982. — 624 с.

32. Двайт Г. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы — М.: Наука, 1983. — 176 с.

33. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1-ая. — М.: Сов. Радио, 1974. — 552 с.

34. Звуковое вещание/А. В. Выходец, П. М. Жмурин, И. Ф. Зорин и др.; Под ред. Ю. А. Ковалгина: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993. — 465 с.

35. Смородинов А. А, Характеристики сигналов с однополосной угловой модуляцией при модуляции случайными процессами. — Санкт-Петербург, 1997. — 10 с. — Рукопись предоставлена Санкт-Петербургской государственной академией аэрокосмического приборостроения. Деп. в ВИНИТИ 19 июня 1997, № 1999-В97.

36. Гитлиц М. В., Лев А. Ю. Теоретические основы многоканальной связи: Учеб. пособие для вузов связи. — М.: Радио и связь, 1985. — 248 с.

37. Миддлтон Д. Введение в статистическую теорию связи: Пер. с англ./Под ред. Б. Р. Левина.. — М.: Сов. радио, 1962, Т. II. — 832 с.

38. Тихонов В. И., Кульман Н. К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. — М.: Сов. радио, 1975. — 704 с.

39. Смородинов А. А. Оптимальный приемник сигналов с однополосной фазовой модуляцией (ОПФМ)//Тез. докл. 9-й межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов». — Петродворец, 1998. — Ч. I. — С. 154.

40. Тихонов В. И. Оптимальный прием сигналов. — М.: Радио и связь, 1983. — 320 с.

41. Тихонов В. И., Миронов М. А. Марковские процессы. — М.: Сов. радио, 1977. — 488 с.

42. Тихонов В. И. Нелинейные преобразования случайных процессов. — М.: Радио и связь, 1986. — 296 с.

43. Борисов Ю. П. Математическое моделирование радиосистем. Учебное пособие для вузов. — М.: Сов. радио, 1976. — 296 с.

44. Смородинов А. А. Помехоустойчивость приема сигналов с однополосной частотной модуляцией//Повышение эффективности радиоэлектронных средств РВиА сухопутных войск. Сб. статей № 16. — СПб.: Михайловская артиллерийская академия, 1998.

— С. 53-54.

45. Кантор Л. Я., Дорофеев В. М. Помехоустойчивость приема ЧМ сигналов. — М.: Связь, 1977. — 336 с.

46. Сапожков М. А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. — М.: Связьиздат, 1963. — 452 с.

47. Быков Ю. С. Важнейшие акустические характеристики и артикуляционные таблицы русской речи. — М.: Оборонгиз, 1950. (М-во авиац. пром. СССР, Труды № 36.)

48. Потемкин В. Г. Система МАТЬАВ. Справочное пособие. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997. — 350 с.

49. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перера.6. и доп. — М.: Радио и связь, 1986.

— 512 с.

50. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1977. — 832 с.

51. Цикин И. А. Дискретно-аналоговая обработка сигналов. — М.: Радио и связь, 1982. — 160 с.

52. Гольденберг Л. М. и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник/Л. М. Гольденберг, Б. Д. Матюшкин, М. Н. Поляк. — М.: Радио и связь, 1985. — 312 с.

53. Орлов В. С., Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. — М.: Радио и связь, 1984. — 416 с.

54. Трифонов И. И. Расчет электронных цепей с заданными частотными характеристиками. — М.: Радио и связь, 1988. — 304 с.

55. Панкратов В. П. Фазовые искажения и их компенсация в каналах при передаче дискретных сигналов. — М.: Связь, 1974. — 344 с.