Повышение эффективности модемов систем передачи данных путем оптимизации устройств цифровой обработки сигналов на основе использования имитационных моделей

Цифровые системы передачи информации (ЦСПИ) давно играют важную роль среди систем передачи информации, и с течением времени эта роль возрастает все больше и больше. В настоящее время в ЦСПИ цифровые методы обработки сигнала (ЦОС) практически вытеснили аналоговые методы обработки. Недостатком, тормозящим развитие систем с ЦОС до настоящего времени, являлось сравнительно низкое быстродействие цифровых микросхем, что накладывало ограничения на скорость передачи информации, однако этот недостаток в последнее время все более и более преодолевается.

Современное состояние цифровых устройств позволяет производить полную цифровую обработку сигнала на промежуточной частоте (ПЧ), т. е. можно говорить о реализации канальных модемов полностью на цифровой элементной базе. В этом случае модем содержит одно или несколько устройств обработки сигналов (УЦОС).

На сегодняшний день реализация канальных модемов возможна на самых разных видах элементной базы, например, на цифровых процессорах обработки сигналов (ЦПОС), на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), на цифровых микросхемах общего назначения (ЦСОН), на цифровых схемах специального назначения (ЦССН) или на МБС-микроконтроллерах. Все перечисленные виды элементной базы имеют свои достоинства и недостатки, поэтому при реализации чаще всего оказывается целесообразным использовать их комбинацию. Однако в общем случае выбор элементной базы сигнала является достаточно сложной задачей, существенно влияющей на такие важные параметры канального модема, как скорость передачи информации, габариты, стоимость и возможность реконфигурации. К сожалению, в настоящее время отсутствуют четкие рекомендации, руководствуясь которыми разработчик мог бы произвести выбор элементной базы под решаемую задачу создания канального модема в конкретных условиях.

Цифровая обработка сигнала предусматривает прежде всего собственно демодуляцию в соответствии с тем или иным алгоритмом оптимальной обработки сигнала. Реализация процедур оптимальной демодуляции, как правило, требует наличия априорной информации о ряде важнейших параметров принимаемых сигналов, таких как частота, начальная фаза, момент прихода и т. п. Последнее обеспечивается системами синхронизациичастотной, фазовой, тактовой и т. п.

Алгоритм демодуляции сигнала всегда выбирается с учетом конкретной элементной базы, на которой планируется разрабатывать ЦСПИ, с учетом скорости, аппаратных возможностей и стоимости готовой аппаратуры. Задача выбора алгоритмов обработки цифрового сигнала сводится к решению вопросов выбора алгоритма демодуляции, алгоритма фазовой синхронизации (восстановления несущей), алгоритма обработки сигнала при условии влияния межсимвольной интерференции (МСИ), системы тактовой синхронизации, помехоустойчивого кода и системы автоматической регулировки усиления (системы АРУ).

При реализации различных классов аппаратуры определяющими являются те или иные факторы. Например, в системах спутниковой связи наблюдается тенденция к использованию оптимальных алгоритмов обработки сигналов, что позволяет снизить требования к энергетическим ресурсам передатчиков. Вместе с тем существует целый ряд систем (например, системы охранной сигнализации), где оказывается необходимым упрощение указанных алгоритмов с целью, например, снижения масса-габаритных показателей и стоимости аппаратуры. Разумеется, данное упрощение вызывает некоторое ухудшение помехоустойчивости системы, и основной проблемой в таком случае является снижение указанных потерь путем оптимизации алгоритма при заданных параметрах: стоимости, сложности и проч.

Как было показано выше, повышение эффективности модемов связано с оптимизацией алгоритмов обработки сигналов. В настоящее время компьютерное имитационное моделирование является наиболее мощным и универсальным методом исследования и оценки систем, поведение которых зависит от воздействия случайных факторов. Это определяется тем, что математические модели алгоритмов указанных систем, к классу которых относятся и устройства ЦОС, в большинстве случаев оказываются весьма сложными для аналитического рассмотрения.

В основе имитационного моделирования лежит метод статистических испытаний (метод Монте-Карло), а имитационная модель в точности реализует алгоритмы исследуемого устройства. Кроме того, во многих практических задачах интерес представляет не только количественная оценка эффективности системы, но и её поведение в той или иной ситуации, что с лёгкостью реализуется при построении программной имитационной модели.

Для создания математических и программных моделей представляется возможным использовать различное программное обеспечение. Его можно разделить на 2 группы: специализированных математических пакетов (например, MATLAB, Mathcad, Maple, Mathematica, Eureka) и пакетов для разработки приложений, имеющие в своей основе объектно-ориентированные языки высокого уровня (например, Delphi, основанный на языке Object Pascal, Borland C++Builder, основанный на языке С++ и т. д.). Последние, применительно к моделированию устройств ЦОС, имеют большую вычислительную эффективность, лучшие средства визуализации, обладают большей интеграцией с другими приложениями. Кроме того, объектно-ориентированные языки, являющиеся ядром пакетов разработки приложений, являются достаточно естественным инструментом моделирования устройств ЦОС.

Итак, выбор конфигурации цифровой системы обработки сигналов является в общем случае достаточно сложной задачей, которая может быть решена лишь с учетом множества факторов, влияющих на характеристики этой системы (требуемые скорость передачи данных, помехозащищенность, стоимость, функциональная гибкость и т. п.). Можно говорить о повышении эффективности устройств ЦОС в смысле улучшения одного или нескольких указанных параметров при ограниченной области изменения остальных. Очевидно, что для каждого конкретного случая (минимизация вероятности ошибочного приема, минимизация времени вхождения в синхронизм, максимизация быстродействия и т. п.) повышение эффективности может быть проведено разными способами и за счёт оптимизации функционирования различных подсистем устройства обработки сигналов. При этом прежде всего следует говорить о выборе алгоритмов цифровой обработки сигнала и элементной базы, обеспечивающих достижение оптимальных значений выбранных параметров.

Цель исследования можно сформулировать следующим образом: повышение эффективности модемов цифровых систем передачи информации путем оптимизации алгоритмов, структур и элементной базы программируемых устройств цифровой обработки сигналов на основе использования имитационных моделей.

Реализация этой цели требует решения следующих задач:

1. Разработка среды моделирования устройств ЦОС на базе современной среды разработки приложений Delphi, позволяющей создавать программные модели, имеющие эффективный машинный код и гибко настраиваемый под конкретные задачи интерфейс. Указанная среда моделирования должна давать возможность проводить анализ и оптимизацию параметров устройств ЦОС различного типа;

2. Анализ алгоритмов цифровой обработки, включая алгоритмы фазовой, тактовой, цикловой синхронизации и собственно демодуляции на основе использования разработанных программных моделей. Анализ должен включать рассмотрение эффективности указанных алгоритмов и сложности их реализации на цифровой элементной базе при заданных условиях приема (отношение сигнал/шум, метод модуляции, частотная и фазовая нестабильности и т. п.). Анализ следует провести применительно к двум классам систем — использующих алгоритмы оптимальной ЦОС (например, спутниковые системы связи) и упрощенные (подоптимальные) алгоритмы (например, системы охранной сигнализации);

3. Анализ цифровой элементной базы для реализации модемов цифровых систем передачи информации с учётом конкретных условий работы и функционального предназначения данных устройств;

4. Разработка рекомендаций по конкретной реализации рассмотренных алгоритмов на перспективной элементной базе с учётом полученных результатов по оптимизации УЦОС.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная среда моделирования устройств ЦОС на базе современного средства разработки приложений Delphi имеет удобный и гибко настраиваемый интерфейс, обеспечивает лёгкую расширяемость, универсальность и высокое быстродействие.

2. Предложенная схема цифровой системы ФАПЧ, включающая дополнительные генератор и филыр, не входящие в петлю обратной связи, позволяет, не снижая полос захвата и удержания системы, не нарушая условий устойчивости и не увеличивая время переходного процесса, добиваться снижения уровня фазовых флуктуаций выходного сигнала.

3. Выполнение полученных в работе условий, связывающих полосу пропускания входного полосового фильтра, начальную частотную расстройку и полосы пропускания фильтров каналов квадратурной системы ЧАП (рис. 3.4), позволяет устранить систематическую остаточную ошибку определения частоты.

4. Проведенная параметрическая оптимизация подсистем модемов, использующих подоптимальные алгоритмы обработки сигналов, рассчитанные на реализацию на основе микроконтроллеров (например, типа PIC-процессоров компании Microchip), позволяет существенно (не менее, чем на два порядка) уменьшить вероятность ошибки демодуляции.

5. Такие структурные части модемов систем передачи информации, как цифровые квадратурные преобразователи частоты, устройства цикловой и сверхцикловой синхронизации стандартов спутниковой связи IBS и ПЖ и БИХ-фильтры, целесообразно реализовывать на базе ПЛИС Altera.

6. Предложенная структурная схема модема стандартов спутниковой связи TDR/IBS с использованием элементной базы компании Harris Semiconductor (рис. 4.12) позволяет реализовывать устройства, характеризующиеся низкой стоимостью, компактностью, высокими скоростью передачи информации и помехоустойчивостью. Научная новизна работы:

1. Обоснован выбор программного пакета для разработки среды моделирования устройств ЦОС и создано программное обеспечение, позволяющее производить имитационное моделирование широкого класса оптимальных и подоптимальных алгоритмов цифровой обработки сигналов, рассчитанных на применение программируемой элементной базы.

2. Получены соотношения для шумовой полосы и оценены параметры переходного процесса в цифровой системе ФАПЧ, включающей дополнительные генератор и фильтр, не входящие в петлю обратной связи.

3. Получены соотношения для систематической остаточной ошибки определения частоты квадратурной схемы ЧАП в случае присутствия на входе ограниченной по спектру помехи. Показана возможность сведения к нулю указанной ошибки.

4. Проведён сопоставительный анализ алгоритмов системы обнаружения информационного пакета, системы тактовой синхронизации и собственно демодулятора модемов, использующих подоптимальные алгоритмы обработки сигналов, рассчитанные на реализацию на основе микроконтроллеров (например, типа PIC-процессоров компании Microchip), и выделены алгоритмы, обеспечивающие минимум вероятности ошибки демодуляции.

5. Проведён сопоставительный анализ схемных реализаций цифровых БИХ-филыров и цифровых квадратурных преобразователей частоты, основанных на использовании ПЛИС Altera, и выявлены наилучшие схемные решения. Практическая ценность работы:

1. Разработана среда компьютерного имитационного моделирования устройств цифровой обработки сигналов, имеющая удобный и гибко настраиваемый интерфейс и обеспечивающая универсальность и высокое быстродействие.

2. Предложена схема цифровой системы ФАПЧ, включающая дополнительные фильтр и генератор, не входящие в петлю обратной связи, использование которой позволяет, не снижая полос захвата и удержания системы, не нарушая условий устойчивости и не увеличивая время переходного процесса, добиваться снижения уровня фазовых флуктуаций выходного сигнала.

3. Получены соотношения, связывающие параметры входного фильтра и фильтров в каналах квадратурной схемы ЧАП, выполнение которых позволяет свести к нулю систематическую остаточную ошибку определения частоты.

4. Проведена параметрическая оптимизация системы обнаружения информационного пакета, системы тактовой синхронизации, собственно демодулятора и входных аналоговых цепей демодулятора модемов, использующих подоптимальные алгоритмы обработки сигналов, рассчитанные на реализацию на основе микроконтроллеров (например, типа PIC-процессоров компании Microchip), позволившая по крайней мере на два порядка уменьшить ошибку демодуляции.

5. На базе семейства FLEXI OK ПЛИС Altera реализованы программные модули цифровых БИХ-фильтров, квадратурных преобразователей частоты и устройств цикловой и сверхцикловой синхронизации стандартов спутниковой связи IBS и ПЖ.

4.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Таким образом, при анализе реализации блоков модемов систем передачи данных на современной цифровой элементной базе получены следующие результаты:

• при цифровой реализации квадратурных преобразователей частоты в диапазоне промежуточных частот не выше 10−20 МГц и скорости передачи данных не выше единиц Мбит/с в качестве элементной базы целесообразно выбрать программируемые логические интегральные схемы. При этом могут быть взяты за основу, например, схемы с 2-входовыми умножителями (рис. 4.3) или с умножителями на константу (рис. 4.4). При малых отношениях частоты дискретизации сигнала к частоте переноса оог (порядка единиц) оправданным является выбор схемы с умножителями на константу, при более высоких значениях этого отношения — выбор схемы с 2-входовыми умножителями. При этом реализуемое устройство получается компактным (один корпус ПЛИС и микросхема ПЗУ), быстродействующим (с частотой дискретизации сигнала свыше 50 МГЦ), а его стоимость будет существенно ниже, чем при реализации на других типах цифровой элементной базы;

• при реализации с устройств цикловой и сверхцикловой синхронизации стандартов спутниковой связи IBS и IDR можно с успехом использовать ПЛИС Altera, поскольку в этом случае реализованное устройство будет характеризоваться компактностью, высоким быстродействием и невысокой стоимостью;

• использование ПЛИС в качестве элементной базы для реализации цифровых БИХ-фильтров является оправданным, поскольку позволяет получить быстродействующие (десятки МГц) компактные устройства с возможностью реконфигурации и высоким отношением частота дискретизации/стоимость. При реализации в большинстве случаев может быть использована каноническая схема БИХ-фильтра, требующая минимум ресурсов ПЛИС и обеспечивающая при этом приемлемое быстродействие. При повышенных требованиях к быстродействию реализуемого устройства может быть использована прямая форма реализации БИХ-фильтра. Для любой из выбранных схем опции, представленные в табл. 4.3, обеспечивают минимум требуемого числа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, в результате проделанной работы:

1. Разработана среда моделирования устройств ЦОС на базе современной среды разработки приложений Delphi. Данная среда моделирования является компьютерной имитационной моделью, поэтому может использоваться не только для исследования и оценки эффективности систем, но фактически с минимальными изменениями может быть перенесена на платформу специализированного процессора. Она имеет эффективный 32-разрядный программный код, удобный и гибко настраиваемый интерфейс и использует современные принципы объектно-ориентированного программирования, что обеспечивает такие качества модели, как лёгкую расширяемость и высокую надёжность. Использование моделью данных различных форматов позволяет использовать её в связке с другими приложениями;

2. Предложена схема цифровой системы ФАПЧ, включающая дополнительные генератор и фильтр, не входящие в петлю обратной связи. Показано, что введение дополнительных генератора и фильтра позволяет, не снижая полос захвата и удержания системы, не нарушая условий устойчивости и не увеличивая время переходного процесса, добиваться снижения уровня фазовых флуктуаций выходного сигнала. Проведён анализ такой системы ФАПЧ в линейном приближении;

3. Проведён анализ работы квадратурной схемы ЧАП (рис. 3.4) в условиях воздействия ограниченной по спектру помехи. Показано, что в данном режиме возникает систематическая остаточная ошибка определения частоты, что существенно снижает эффективность использования системы ЧАП в целом ряде приложений. Найдены условия, накладываемые на полосу пропускания входного полосового фильтра системы, выполнение которых позволяет устранить систематическую остаточную ошибку определения частоты;

4. Проведена параметрическая оптимизация по критерию минимума вероятности ошибки демодуляции в модемах, использующих подоптимальные алгоритмы обработки сигналов, рассчитанные на реализацию на основе микроконтроллеров (например, типа PIC-процессоров компании Microchip). Найдены оптимальные значения параметров системы обнаружения информационного пакета, системы тактовой синхронизации, собственно демодулятора и входных аналоговых цепей демодулятора. Предложены подоптимальные алгоритмы системы обнаружения информационного пакета, системы тактовой синхронизации и собственно демодулятора, имеющие меньшие требования к УЦОС и вместе с тем меньшие вероятности ошибки демодуляции. В результате проведённых исследований удалось снизить значение ошибки демодуляции при воздействии белого гауссового шума в реальной аппаратуре на два порядка;

5. Обоснована целесообразность использования ПЛИС в качестве элементной базы для реализации алгоритмов цифровых квадратурных преобразователей частоты, используемых в модемах систем передачи информации в диапазоне промежуточных частот не выше 10−20 МГц и скорости передачи данных не выше единиц Мбит/с. Рассмотрены различные схемные решения этих устройств, сделаны выводы о необходимости выбора схемы с умножителями на константу (рис. 4.4) при малых отношениях (порядка единиц) частоты дискретизации сигнала к частоте переноса и схемы с 2-входовыми умножителями (рис. 4.3) при более высоких значениях этого отношения. Реализованы соответствующие программные модули на базе семейства FLEX10K ПЛИС Altera;

6. Обоснована целесообразность использования ПЛИС в качестве элементной базы для реализации алгоритмов устройств цикловой и сверхцикловой синхронизации стандартов спутниковой связи IBS и ПЖ.

128 данных устройств и реализованы соответствующие программные модули на базе семейства FLEXI OK ПЛИС Altera;

7. Сделан вывод о целесообразности использования ПЛИС в качестве элементной базы для реализации цифровых БИХ — фильтров, поскольку это позволяет получить быстродействующие (десятки МГц) компактные устройства с возможностью реконфигурации и высоким отношением частота дискретизации/стоимость. Проведено сравнение прямой и канонической схем БИХ — фильтра, сделан вывод о предпочтительности использования канонической схемы при реализации на ПЛИС Altera. Найдены опции САПР Max+Plus II, обеспечивающие минимум требуемого числа функциональных преобразователей и максимум быстродействия реализованного фильтра. Реализованы соответствующие программные модули на базе семейства FLEXI OK ПЛИС Altera;

8. Предложена структурная схема модема стандартов спутниковой связи IDR/IBS с использованием элементной базы компании Harris Semiconductor (рис. 4.12). Показано, что в случае выбора данной структуры реализованное устройство будет характеризоваться низкой стоимостью, компактностью, высокими скоростью передачи информации и помехоустойчивостью.