Разработка и исследование методов оценивания случайных параметров каналов с межсимвольной интерференцией

Актуальность теш. Дальнейшее развитие единой автоматизированной сети связи (ЕАСС) СССР требует создания новейших систем передачи информации на базе достижений микроэлектроники и вычислительной техники. Важной и актуальной проблемой является увеличение эффективности использования существующих линий связи. Одним из наиболее важных средств в решении этой задачи является разработка высокоэффективной и надежной аппаратуры передачи дискретных сообщений (в том числе средств согласования передатчика и приемника с каналом связи), позволяющей увеличить скорость передачи информации по частотноограниченным каналам при одновременном обеспечении заданной помехоустойчивости и других качественных показателей системы.

В настоящее время разработано и применяется большое количество методов передачи дискретных сигналов и методов сопряжения приемника и передатчика с частотноограниченным каналом, в котором возникает межсимвольная интерференция (МСИ). Необходимо отметить, что к каналам с МСИ относится довольно широкий класс существующих каналов (стандартные каналы тональной частоты, широкополосные каналы и тракты ЕАСС, радиоканалы, коротковолновые, тропосферные, спутниковые). Однако эффективная борьба с МСИ возможна только с помощью сложных алгоритмов, трудно реализуемых на практике (алгоритм Витерби). В случае применения более простых способов (корректоры на фазовых звеньях, транс-версальные фильтры, гармонические корректоры) подавление МСИ зависит от количества звеньев фильтра (числа отводов корректора), а с ростом числа звеньев увеличивается задержка сигнала и время вхождения в связь, повышается сложность корректора.

Согласно вышеизложенному, актуальной задачей современной техники передачи дискретных сообщений является разработка и исследование методов согласования передатчика и приемника с каналом связи. Эффективное согласование модема с каналом с МОИ может обеспечить метод векторной передачи с предыскажениями сигнала, изложенный в [34,3б]. Ввиду применения ортогональных преобразований инвариантных к каналу отличается он малой сложностью, однако требует точного определения параметров канала связи.

Среди существующих каналов имеются такие, характеристики которых практически не меняются во времени, но заранее точно неизвестны (каналы тональной частоты, широкополосные каналы и тракты ЕАСС и др.). В этих случаях актуальной задачей является разработка простых методов быстрой предварительной настройки корректора сигнала с целью уменьшения времени, затрачиваемого на вхождение в связь до начала сеанса передачи информации. Кроме того, необходимы эффективные методы адаптации приемника, которые позволяют поддерживать заданную помехоустойчивость системы в каналах с меняющимися параметрами. Традиционными являются итерационные алгоритмы настройки корректора. Метод векторной передачи с использованием ортогональных преобразований сигнала дает возможность применить неитерационные способы оценивания параметров канала.

Настоящее исследование направлено на решение задачи неитерационного оценивания случайных параметров канала (предварительная настройка приемника и его адаптация) в системе связи, с ортогональными преобразованиями сигналов.

Цель работы. Целью данной работы является разработка и исследование эффективных неитерационных методов оценивания случайных параметров канала при вхождении в связь (предварительная настройка приемника) и при передаче рабочего сигнала (адаптация приемника), допускающих цифровую реализацию с малой сложностью.

Метод исследования. В работе использовались методы линейной алгебры (теория матриц), ортогональные преобразования, в частности дискретное преобразование Фурье, а также теория вероятности. Наряду с теоретическими исследованиями широко применялись алгоритмы статистического оценивания характеристик разработанных методов настройки и адаптации приемника путем вычислительного анализа и имитационного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна данной работы состоит в следующем.

Предложена универсальная модель гауссовского канала с МСИ и меняющимися параметрами, позволяющая имитировать широкий класс каналов, в том числе каналы с селективными замираниями.

Разработаны, быстрые неитерационные методы предварительной настройки приемника в системе с ортогональными сигналами, отличающиеся малой вычислительной сложностью.

Разработан метод прореживания вектора предварительных оценок канала, повышающий точность настройки корректора.

Получены верхние границы вероятности ошибки и среднеквад-ратической погрешности (СКП) оценивания сигнала на выходе приемника в зависимости от точности его предварительной настройки. Аналитические результаты подтверждены моделированием на ЭВМ.

Разработан эффективный метод оценивания меняющихся параметров канала непосредственно по рабочему сигналу, не содержащему тестовой избыточности.

Разработан метод адаптации приемника по избыточности, специально введенной в передаваемое сообщение.

Произведена оптимизация алгоритмов адаптации. Определена помехоустойчивость системы ортогональных сигналов при адаптации приемника предложенными методами.

Получены оценки вычислительной сложности для всех разработайных методов.

Основные вопросы, выносимые на защиту.

1. Модель гауссовского канала с межсимвольной интерференцией и случайными параметрами.

2. Влияние точности оценивания параметров канала на помехоустойчивость системы, использующей метод векторной передачи с предыскажениями и ортогональными преобразованиями сигналов.

3. Неитерационные методы предварительной настройки приемника по временному и частотному тест-сигналам.

4. Результаты исследования методов оценивания параметров канала по тест-сигналам.

5. Методы адаптации приемника непосредственно по рабочему сигналу и по избыточности, введенной в рабочий сигнал.

6. Результаты анализа точности оценивания параметров канала при передаче рабочего сигнала.

Практическая ценность. Проведенные исследования показали перспективность использования разработанных в диссертации неитерационных методов настройки и адаптации приемника дискретных сигналов.

Практическая реализация предлагаемых методов предварительной настройки позволит при заданной помехоустойчивости существенно уменьшить время вхождения в связь и избежать несходимости процесса настройки, что свойственно итерационным алгоритмам в случае неточно заданных начальных параметров.

Применение разработанных методов адаптации по рабочему сигналу даст возможность поддерживать заданный уровень помехоустойчивости во время передачи полезного сигнала. Метод подстройки приемника непосредственно по рабочему сигналу отличается тем, что отсутствуют потери информационной скорости, так как передаваемое сообщение не содержит тестовых компонент.

Все разработанные алгоритмы эффективны с точки зрения их цифровой реализации, поскольку вычислительная сложность, выражаемая количеством действительных умножений на один коэффициент корректора пропорциональна логарифму числа компонент передаваемого сигнального блока.

Применение предложенных в работе методов предварительной настройки и адаптации позволило обосновать структуру и параметры, а также программно реализовать адаптивный корректор для широкополосного модема и исследовать его характеристики методами математического моделирования.

Реализация результатов работы. Разработки и исследования, проводимые в диссертации, являются составной частью научно-исследовательской работы, выполняемой МЭИС по договору с Куйбышевским отделением научно-исследовательского института радио.

Материалы диссертации включены в отчеты по НИР за 19 821 984 годы. Отчеты переданы заказчику и внедрены в ОКР.

Использование результатов работы подтверждается соответствующим документом.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Х-й научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, 25−26 апреля 1984 г., на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников научно-исследовательского сектора и аспирантов по итогам научных исследований, 1982;1985 годы, на научно-технических семинарах кафедры ПДИ и Т МЭИС.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений, изложенных на 260 страницах. Она содержит 148 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 62 страницы рисунков, 50 страниц приложений.

Список литературы

.

Основные выводы следующие.

1. Предложена универсальная модель гауссовского канала с межсимвольной интерференцией и случайными параметрами, которая позволяет имитировать широкий класс каналов в том числе каналы с селективными замираниями.

2. Определена эффективность и помехоустойчивость метода векторной передачи дискретных сигналов с ортогональными преобразованиями при неточном оценивании параметров канала. Доказана необходимость точного оценивания параметров канала.

3. Разработаны быстрые неитерационные методы предварительной настройки приемника по временному и частотному тест-сигналам в системе связи с ортогональными сигналами, отличающиеся малой вычислительной сложностью.

4. Предложен алгоритм прореживания вектора предварительных оценок канала, повышающий точность настройки корректора.

5. Получены результаты анализа точности предварительной настройки приемника по тест-сигналам и ее влияния на помехоустойчивость системы ортогональных сигналов. Показано, что разработанные методы предварительной настройки, при отношении сигнал-шум 20 дБ, позволяют снизить проигрыш по среднеквадратичес-кой погрешности оценивания рабочего сигнала предварительно настроенного приемника, приемнику, в котором параметры канала точно известны, до величины 0,5 дБ. и достичь коэффициента ошибок -5 менее 10, за время передачи одного блока тест-сигнала, при.

— 201 условии, что длина блока тест-сигнала превосходит длину импульсной реакции канала в 16 раз.

6. Доказана целесообразность применения предыскажений частотного тест-сигнала, которые приводят к выравниванию и уменьшению погрешности оценивания параметров параллельных гауссов-ских каналов без памяти.

7. Разработаны два метода адаптации приемника: непосредственно по рабочему сигналу и по избыточности, специально введенной в передаваемое сообщение. Методы эти характеризуются малой вычислительной сложностью. Отличительной чертой алгоритма адаптации по рабочему сигналу является то, что отсутствуют потери информационной скорости, так как передаваемое сообщение не содержит избыточных компонент.

8. Получены результаты анализа точности оценивания параметров канала при передаче рабочего сигнала и ее влияния на помехоустойчивость системы ортогональных сигналов. Доказана целесообразность применения повторного декодирования сигнала, которое существенно уменьшает вероятность ошибки при адаптации приемника по рабочему сигналу. Произведена оптимизация метода адаптации по избыточности, которая позволила уменьшить среднеквад-ратическую погрешность оценивания рабочего сигнала в 1,3 раза и повысить помехоустойчивость системы.

9. Получены оценки вычислительной сложности для всех предложенных методов, показывающие, что количество арифметических операций на один коэффициент корректора пропорционально логарифму числа компонент обрабатываемого сигнального блока.

10. Разработан пакет программ, предназначенных для исследования характеристик разработанных методов предварительной настройки и адаптации приемника и для обоснования структуры адаптивного корректора с программной реализацией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации представдены результаты работы автора по разработке и исследованию методов оценивания параметров канала в системе связи с ортогональными сигналами при вхождении в связь и при передаче рабочего сигнала.