Разработка и реализация алгоритма функционирования модема коротковолновой радиосвязи на цифровом процессоре обработки сигналов с фиксированной точкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Шаптала, Василий Сергеевич

• Шаптала, Василий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шаптала, Василий Сергеевич

Содержание.

Перечень условных обозначений.

Введение.

1. Обзор реализаций МКВР.

1.1. Канал KB радиосвязи.

1.1.1. Особенности распространения радиоволн в KB диапазоне.

1.1.2. Методы моделирования канала KB радиосвязи. Модель Ваттерсона

1.1.3. Международные рекомендации, регламентирующие методы моделирования канала KB радиосвязи.

1.2. Основные зарубежные стандарты и рекомендации в области цифровой KB радиосвязи.

1.2.1. Федеральные стандарты США.

1.2.2. Стандарты Министерства обороны США.

1.2.3. Рекомендации ITU-R.

1.3. Характеристики МКВР.

1.3.1. Обзор зарубежных модемов.

1.3.2. Обзор отечественных модемов.

1.4. Постановка задачи исследования.

1.4.1. Обоснование выбора системы сигналов МКВР.

1.4.2. Требования, предъявляемые к МКВР.

1.4.3. Обоснование выбора ЦПОС для реализации МКВР.

1.4.4. Сложности реализации МКВР и пути их решения.

1.4.5. Формулировка задачи на разработку МКВР.

Выводы по первой главе.

2. Алгоритм формирования и приема сигналов в параллельном МКВР.

2.1. Обобщенный алгоритм функционирования передатчика МКВР.

2.2. Обобщенный алгоритм функционирования приемника МКВР.

2.2.1. Формирование АС и компенсация ЧС.

2.2.2. Спектральный анализ.

2.2.3. Статистическая обработка.

2.3. Обобщенный алгоритм помехоустойчивого кодирования.

2.4. Скремблирование информации в МКВР.

2.5. Оценка эффективности функционирования МКВР. Эксплуатационная и реализационная эффективность.

2.6. Постановка задачи оптимизации алгоритма функционирования МКВР на ЦПОС с ФТ.

2.6.1. Декомпозиция задачи оптимизации алгоритма реализации МКВР

2.6.2. Постановка задачи понижения вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР.

2.6.3. Постановка задачи повышения вычислительной точности алгоритма функционирования МКВР.

Выводы по второй главе.

3. Понижение вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР Ш на ЦПОС с ФТ.

3.1. Классификация задач оптимизации АФАС и ABC.

3.2. Задача оптимизации АФАС.

3.2.1. Требования к ФПГ.

3.2.2. Расчет ФПГ с симметричными характеристиками.

3.2.3. Децимация сигнала в АФАС.

3.2.4. Анализ вычислительной сложности АФАС.

3.2.5. Реализация блока компенсации частотного смещения в МКВР.

3.3. Задача оптимизации ABC.

3.3.1. Алгоритм работы блока спектрального анализа.

3.3.2. Алгоритм вычисления 80-точечного БПФ.

3.3.3. Скользящий Фурье анализ.

3.3.4. Масштабирование сигнала при расчете спектра.

3.3.5. Сравнительный анализ вычислительной сложности ABC различными путями.

3.4. Оценка вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР

Выводы по третьей главе.

4. Предложения по практической реализации алгоритма МКВР на ЦПОС.

4.1. Обзор ЦПОС отечественных и зарубежных производителей.

4.1.1. Texas Instruments.

4.1.2. Analog Devices Inc (ADI).

4.1.3. Motorola.

4.1.4. Отечественные производители.

4.2. Повышение вычислительной точности алгоритма функционирования МКВР.

4.3. Оценка реализационных и эксплуатационных характеристик предлагаемого МКВР.

4.3.1. Модель KB канала.

4.3.2. Оценка эффективности предлагаемого МКВР.

4.3.3. Оценка затрат на производство МКВР.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и реализация алгоритма функционирования модема коротковолновой радиосвязи на цифровом процессоре обработки сигналов с фиксированной точкой»

За долгое время существования коротковолновой (KB) радиосвязи неоднократно высказывалось мнение, что другие виды связи превзойдут и даже вытеснят ее. Действительно, развитие волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), позволяющих передавать огромные объемы информации при больших длинах регенерационных участков (сети SDH), делает эффективным применение этой технологии на магистральных линиях связи. Совершенствование радиорелейных линий (PPJI) связи и их сопряжение с сетями SDH позволяют увеличить надежность магистральных сетей. Проблема связи с малонаселенными территориями в труднопроходимой местности решается с помощью спутниковых систем связи. По этой причине удельный вес KB радиосвязи, в общем объеме передаваемой информации, становится незначительным.

Однако вопрос о ликвидации KB радиосвязи не ставится. В настоящее время значительно возрос интерес производителей средств связи к радиосистемам KB диапазона. Особенно важно данное направление для силовых министерств и ведомств: МО РФ, ФСБ, МЧС и др.

Радиосвязь в KB диапазоне позволяет предоставить мобильным абонентам цифровые каналы при использовании оборудования с небольшими массогабаритными и энергетическими характеристиками. В отличие от PPJT и спутниковых сетей связи, которые служат альтернативным вариантом для обеспечения связи мобильным абонентам, KB радиосвязь не требует использования ретрансляторов (наземного и космического базирования).

Экономичность KB радиосвязи, по сравнению с PPJ1 и спутниковой радиосвязью, объясняется тем, что PPJI и спутниковая связь экономичны только при одновременной организации нескольких сотен или тысяч телефонных каналов. В этом случае оказывается сравнительно небольшой стоимость одного телефонного канала, определенная как результат деления общих капитальных и эксплуатационных расходов, затраченных на систему связи, на число каналов. Поэтому в тех случаях, когда большого количества каналов не требуется, эффективно использовать KB радиосвязь. Это, в первую очередь, организация связи с труднодоступными регионами (например, горные и лесные массивы, тайга, Арктика); с геологическими партиями, с экспедициями при чрезвычайных ситуациях; в военных и силовых структурах и т.п.

К недостаткам KB радиосвязи следует отнести низкую пропускную способность (2400 - 4800 бит/с) цифровых каналов, реализуемых современными отечественными и зарубежными модемами KB радиосвязи (МКВР).

Увеличение объема передаваемых данных, ужесточение требований к достоверности передаваемой информации, уменьшение свободного частотного ресурса заставляет использовать каналы, ранее считавшиеся непригодными для своевременной и помехоустойчивой передачи данных. Использование модемов работающих в KB радиоканале представляет собой один из способов решения этой проблемы.

Сложный характер распространения радиоволн в KB канале вызывает необходимость использования сложных алгоритмов обработки сигнала в МКВР. Особый интерес представляет разработка сигнально-кодовых конструкций (СКК) согласующих работу кодера с модулятором и декодера с демодулятором. Применение эффективной СКК может существенно поднять помехоустойчивость модема.

Наше время характеризуется стремительным проникновением цифровой обработки сигналов (ЦОС) в области передачи, приема и обработки информации. Аппаратура передачи данных, телевидение, измерительная техника, радиовещание, высококачественное воспроизведение аудио и видео информации — это далеко не полный перечень, где применение ЦОС обеспечивает принципиально новое качество.

Развитие ЦОС неразрывно связано с совершенствованием элементной базы, позволяющей выполнять алгоритмы, требующие большой вычислительной мощности, например: фильтрация, вычисление дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и т.п. Вышеперечисленные алгоритмы могут быть эффективно реализованы на цифровых процессорах обработки сигналов (ЦПОС), называемых также сигнальными процессорами. Доминирующее положение ЦПОС в задачах ЦОС объясняется тем, что в них удалось совместить собственно ЦОС (обеспечивая высокую производительность и многофункциональность) с возможностью организовать разнообразный и удобный интерфейс для управления устройствами.

Данная работа направлена на создание высокоскоростного МКВР. В работе обосновывается выбор параллельного (многочастотного) алгоритма передачи сигналов. Также особенностью работы является выбор в качестве платформы для реализации МКВР ЦПОС с фиксированной точкой (ФТ). Обычно для решения подобных задач используются ЦПОС с плавающей точкой (ПТ), позволяющие получить более высокую точность представления сигнала параллельного МКВР, обладающего большим динамическим диапазоном (ДД).

Выбор ЦПОС с ФТ обусловлен производством отечественной промышленностью только таких типов ЦПОС, разрешенных для использования в силовых министерствах и ведомствах, а обработка сигнала с большим ДД в арифметике с ФТ представляет собой сложную задачу. Это вызвано следующим обстоятельством. При реализации алгоритма на ЦПОС возникают алгоритмические шумы: шум округления, шум усечения, шум переполнения и т.д. Уровень этих шумов определяется разрядностью процессора. При уменьшении амплитуды обрабатываемого сигнала отношение (сигнал)/(алгоритмический шум), в арифметике с ФТ, будет уменьшаться, что приведет к снижению помехоустойчивости модема.

Таким образом, тема и научная задача диссертационной работы, состоящая в разработке и оптимизации алгоритма функционирования МКВР, реализуемого на ЦПОС с ФТ представляется актуальной.

Практическая значимость работы:

1. Разработан алгоритм функционирования МКВР в арифметике с ФТ.

2. Реализован МКВР на платформе ЦПОС TMS320C50.

Научная значимость работы:

1. Предложен алгоритм быстрой синхронизации МКВР.

2. Разработан способ реализации треллис-кодирования (ТК) на ЦПОС с

ФТ.

3. Предложена методика понижения вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР.

4. Разработана методика повышения вычислительной точности алгоритма функционирования МКВР на ЦПОС с ФТ.

Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Алгоритм формирования и приема сигналов в параллельном МКВР.

2. Методика понижения вычислительной сложности алгоритма функционирования МКВР.

3. Методика повышения вычислительной точности алгоритма функционирования МКВР.

Диссертационная работа включает введение, четыре раздела, заключение и приложения.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Шаптала, Василий Сергеевич

Выводы по четвертой главе

1. Произведен обзор ЦПОС зарубежных и отечественных производителей. По его итогам видно, что подавляющее большинство сигнальных процессоров производится западными фирмами. Отечественные предприятия воспроизводят аналоги зарубежных ЦПОС, обладающие невысоким быстродействием.

2. Проведен сравнительный анализ двух программных реализаций алгоритма МКВР:

- в арифметике с ПТ (модель на языке «С»);

- в арифметике с ФТ (программа МКВР на языке ассемблера ЦПОС TMS320C50).

Моделированием получена зависимость собственного алгоритмического шума МКВР от уровня входного сигнала и способа программной реализации. Отказ от рекуррентного вычисления экспоненты для компенсации частотного смещения и применение округления при операциях умножения и сложения позволило существенно увеличить отношение сигнал/алгоритмический шум, а, следовательно, и помехоустойчивость МКВР.

3. Произведена оценка основных реализационных и эксплуатационных характеристик МКВР. Разработанный МКВР незначительно уступает модему, реализованному на ЦПОС с ПТ, по помехоустойчивости в основных режимах работы.

Заключение

Ниже приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Проведен анализ рынка KB радиосвязи, который показал, что подавляющее количество модемов представлено зарубежными фирмами, а отечественные МКВР не реализуют потребности в передаче информации по KB радиоканалу с необходимой скоростью и качеством. Это свидетельствует о том, что разработка и реализация алгоритмов МКВР на ЦПОС с ФТ является актуальной задачей.

2. Реализован алгоритм синхронизации МКВР по информационному сигналу.

3. Разработана реализация ТК с глубиной кодирования 1/2 и 2/3.

4. Произведена декомпозиция задачи оптимизации алгоритма МКВР на ЦПОС с ФТ. На первом этапе оптимизируем алгоритм функционирования МКВР по уменьшению вычислительной сложности. На втором этапе по повышению вычислительной точности.

5. Рассмотрены этапы синтеза НЦФ с симметричными характеристиками. Доказано, на основании обобщенной леммы Бернштейна, обнуление половины коэффициентов в ПФ ЦФ при синтезе НЦФ 1-го и 3-го типов с симметричными характеристиками. Доказано, что при синтезе НЦФ 2-го и 4-го типов обнуление коэффициентов ПФ не происходит.

6. На базе ФПГ с симметричными характеристиками разработана схема формирования АС с децимацией сигнала на входе. Экономия вычислительных ресурсов, при использовании этой схемы, составляет N/4 - единичных элементов линии задержки; N/2 - умножителей; N/2 - сумматоров (N -порядок ФПГ).

7. Рассмотрены алгоритмы Винограда на 5 и на 8 точек. На их основе синтезирован алгоритм БПФ на 80 комплексных точек. Этот алгоритм позволил уменьшить в 1,5 раза число операций сложения и умножения по сравнению с БПФ на 80 точек с прореживанием по времени.

8. Понижение вычислительной сложности алгоритма функционирования

МКВР позволило на ЦПОС TMS320C50:

- реализовать скорость передачи 2400 бит/с с ТК на скорость R = 1 / 2 и организовать работу протокола V42 совместно с ТК.

- уложится в требования по времени установления синхронизации (2 с) для большинства режимов работы модема (кроме режимов использующих ОФМ-3).

9. Проведен обзор рынка производителей ЦПОС. На основании обзора можно сделать вывод, что отечественных ЦПОС альтернативных по характеристикам зарубежным, не существует.

10. Проведен сравнительный анализ двух программных реализаций МКВР: в арифметике с ПТ (32 разряда, модель на языке «С») и в арифметике с ФТ (16 разрядов, программная реализация алгоритма работы МКВР на ассемблере ЦПОС TMS320C50). Получена зависимость собственного алгоритмического шума МКВР от способа программной реализации и уровня входного сигнала. Оптимизация программной реализации МКВР позволила уменьшить уровень алгоритмических шумов на 16 дБ.

11. Реализован МКВР на ЦПОС TMS320C50. Его основные технические характеристики приведены в прил. 4. Разработанный МКВР был сравнен с МКВР на ЦПОС с ПТ, реализованным в Центре ЦОС. МКВР на ЦПОС с ФТ в ряде режимов превосходит, а в ряде режимов незначительно уступает МКВР на ЦПОСсПТ.

Таким образом, на основании данного заключения, можно считать: поставленная научная задача - выполнена, цель работы - достигнута.

Далее рассмотрены возможные перспективы развития данного направления исследований, важные для прикладного использования МКВР.

1. Создание эффективных методов автоматического установления соединения. Для чего необходимо разработать эффективные меры по тестированию KB канала. По результатам тестирования канала необходимо определить его основные параметры: отношение сигнал/шум, вид замираний сигнала, дальность и т.д. По определенным параметрам надо определить, какой режим работы выбрать (кратность модуляции, вид помехоустойчивого кодирования и т.д.).

2. Реализация сетевого протокола - АХ.25.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шаптала, Василий Сергеевич, 2003 год

1. Cook S.C., Gill М.С., Gill T.C. A high-speed parallel-tone modem// HF radio systems and techniques, 7 July 1994.

2. FED-STD-1045A, HF Radio Automatic Link Establishment, 1993.

3. FED-STD-1046, HF Radio Automatic Networking, 2000.

4. FED-STD-1047, HF Radio Automatic Store-and-Forward, 2001.

5. FED-STD-1048, HF Radio Automatic Networking to Multiple-media,2001.

6. FED-STD-1052, HF Radio Modems, 1996.

7. Forrer Jolian B. A Low-Cost HF Channel Simulator for Testing and Evaluating HF Digital Systems. KC7WW.

8. ITU-R Recommendation F. 455-2, Improved transmission system for HF radiotelephone circuits, 1992.

9. ITU-R Recommendation F. 520-2, Use of high frequency ionospheric channel simulators, 1992.

10. ITU-R Recommendation F.1487, Testing of hf modems with bandwidths of up to about 12 khz using ionospheric channel simulators (2000),ccir hf ionospheric channel simulator, XIII Plenary Assembly, CCIR, vol. Ill, Report No. 549.

11. McClellan J.H., Parks T.W. A Unified Approach to the Design of Optimum FIR Linear-Phase Digital Filters. IEEE Trans on C.T. 1973, v. ct-20, №6, p.267-701.

12. MIL-STD-188-110B, Interoperability and performance standards for data modems, 2000.

13. MIL-STD-188-14IB, Interoperability and performance standards for medium and high frequency radio sistems, 1999.

14. Proakis John G. Digital communications. McGraw-Hill, New York, 2000.

15. Schlegel C., Costello D.J. Bandwidth efficient coding for fading channels// IEEE J. Select, Areas Commun., vol. 7, no. 9, pp. 1356-1368, 1989.

16. Ungerboeck G. Channel coding with multilevel/phase signals// IEEE Trans. Inf. Theory, vol. IT-12, no. 1, pp. 55-67, 1982.

17. User's Guide, Filter Design Toolbox for Use with Matlab. Version 2, the MATH WORKS, 2000.- 18. Аппаратура передачи дискретной информации МС-5, под ред. А. М. Заездного и Ю. Б. Окунева. М.: Связь, 1970.

18. Ахиезер Н.И. Лекции по теории аппроксимации. М.: Наука, 1965.

19. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

20. Блейхут Р. Теория и практика кодов контролирующих ошибки: Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

21. Богнер Р., Константинидис А. Введение в цифровую фильтрацию: Пер. с англ./ Под ред. Л.И.Филиппова. М.: Мир, 1986.

22. Вайдьянатхан П.П. Цифровые фильтры, блоки фильтров и полифазные фильтры с многочастотной дискретизацией: Методический обзор. ТИИЭР, 1990, т. 78, №3, стр. 77-120.

23. Витерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования: Пер. с англ./ Под ред. К.Ш. Зигангирова. М.: Радио и связь, 1982.

24. Галкин А.В., Лапин А.Н., Самойлов А.Г. Моделирование каналов систем связи. М.: Связь, 1979.

25. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. М.: Радио и связь, 1990.

26. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. Справочник. -М.: Радио и Связь, 1985.

27. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. СПб Политехника, 1998.

28. Лагутенко О.И. Современные модемы. М.: Эко-Трендз, 2002.

29. Ланнэ А.А. Синтез нерекурсивных цифровых фильтров с симметричными характеристиками. Радиоэлектроника, 1995, т. 38, №3-4, стр.38-60.

30. Ланнэ А.А., Нажди К., Семенов О.Б. Цифровые широкополосные фазовращатели и преобразователи Гильберта сопоставительный анализ. Радиоэлектроника, 1996, №5, стр.12-24.

31. Ланнэ А.А., Улахович Д.А. Многокритериальная оптимизация. — ВАС,1984.

32. Мартынов Н.Н., Иванов А.П. MATLAB 5.Х. вычисления, визуализация, программирование. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2002.

33. Модем МД-028, Техническое описание ХД2.081.028 ТО, 1984.

34. Немировский М.С. Цифровая передача информации в радиосвязи. — М.: Связь, 1980.

35. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ./Под ред. Д.Д. Кловского. -М.:Радио и связь, 2000.

36. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978.

37. Скляр Б., Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003.

38. Таланов А.О. Описание к пакету программ FD2. Центр ЦОС ГУТ, СПб, 1998.

39. Хемминг Р. В. Цифровые фильтры: Пер. с англ./ Под ред. А.М.Трахтмана. М.: Сов. радио, 1980.

40. Цифровой процессор обработки сигналов TMS32010 и его применение/ Под ред. А.А. Ланнэ. Л.: ВАС, 1990.

41. Черепкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн: Учебник для вузов связи. М.: Радио и связь, 1984.

42. Шаптала B.C. Сравнительный анализ способов формирования огибающей в параллельном модеме KB радиоканала //55 НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов: тез. докл. / СПбГУТ, СПб, 2001.

43. Шаптала B.C. Оценка возможностей уменьшения пик-фактора сигнала на выходе параллельного модема // 54 НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: тез. докл. / СПбГУТ, СПб, 2002.

44. Шаптала B.C., Елизаров В.В., Кондруцкий А.В., Путилин А.Н. Реализация KB модема на ЦПОС TMS320C50 // 4 МНТК Цифровая обработка сигналов и ее применение: тез. докл. М., 2002.

45. Шаптала B.C., Ланнэ А.А. Синтез преобразователей Гильберта // 4 МНТК Техника и технология связи: тез. докл. Алма-Ата, 2002.

46. Шаптала B.C., Ланнэ А.А. Синтез преобразователей Гильберта // Цифровая обработка сигналов. 2002. № 2.

47. Шаптала B.C., Ланнэ А.А. Нерекурсивные цифровые фильтры с симметричными характеристиками // 5 МНТК Цифровая обработка сигналов и ее применение: тез. докл. М., 2003.

48. Шаптала B.C. Сравнительный анализ реализаций KB модема на сигнальных процессорах с фиксированной и плавающей точкой // Цифровая обработка сигналов. 2003. № 2.

49. Шаптала B.C., Ланнэ А.А. Нерекурсивные цифровые фильтры с симметричными характеристиками // Радиотехника. 2003. № 4.

50. Шаптала B.C. Реализация 80-точечного быстрого преобразования Фурье на процессоре TMS320C50 // 58 НТК, посвященной Дню радио и 300-летию Санкт-Петербурга: тез. докл. СПб, 2003.

51. Шаптала B.C., Семенов Д.А., Юдаков Д.А. Разработка лабораторных работ на цифровом процессоре обработки сигналов TMS320C54xx // 58 НТК, посвященной Дню радио и 300-летию Санкт-Петербурга: тез. докл. СПб, 2003.