Исследование помехоустойчивости передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий

Вид материала

Содержание

Носов В.И.
Трубехин Е.Р.
Общая характеристика работы
Краткое содержание работы
MATLAB с использованием приложения Simulink.
Основные выводы и результаты работы
Список работ, опубликованных по теме диссертации

Подобный материал:

На правах рукописи

Кокорич Марина Геннадьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

ПО СТВОЛАМ АНАЛОГОВЫХ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ ЛИНИЙ

Специальность: 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Носов В.И.
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Фалько А.И.
Официальные оппоненты:	кандидат технических наук, Трубехин Е.Р.
Ведущая организация:	научно-производственная фирма «МИКРАН», г.Томск

Защита состоится 19 декабря 2008 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д.219.005.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу: 630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СибГУТИ».

Автореферат разослан «____» ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 219.005.01

доктор технических наук, профессор Мамчев Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современное развитие телекоммуникаций, обусловленное бурным ростом новых видов услуг, требует ускоренного перехода к цифровым системам передачи (ЦСП). Однако, существующая широко развитая сеть аналоговых магистральных и внутризоновых радиорелейных линий делает экономически целесообразным использование аналоговых радиорелейных станций для организации цифровых трактов (процесс модернизации аналоговых радиорелейных линий в цифровые носит название "цифровизация»).

Цифровизация заключается в замене или реконструкции оконечного оборудования телефонного или телевизионного радиоствола, при этом сохраняется структура радиорелейной линии, то есть на промежуточных станциях осуществляется переприем по промежуточной частоте без демодуляции, а, следовательно, и без регенерации сигнала. Тем самым теряется такое преимущество цифровой связи, как возможность регенерации цифрового потока и отсутствие накопления помех от станции к станции, следовательно, ограничивается возможная дальность связи.

Теоретическое исследование возможностей использования аналоговых РРЛ для передачи цифровых сигналов производилось с 70-х годов Каменским Н.Н., Минкиным В.М., Грозовским Л.М., Рахмановым С.Ю., Поборчим В.Д. и заключались в проведении научных исследований, практических работ и создании соответствующего оборудования и нормативной документации.

Расчет качественных показателей при передаче цифровых сигналов по аналоговым РРЛ на первом этапе реализации цифровизации не производился и вывод о возможности связи на конкретном участке РРЛ производился на основе практических измерений.

Проведенные исследования показали возможность организации аналого-цифрового ствола для передачи цифрового сигнала на поднесущей частоте с применением двух- и четырехпозиционной фазовой модуляции, а также возможность организации полностью цифрового ствола для передачи третичного цифрового потока методом четырехпозиционной фазовой модуляции. При расчете качественных характеристик таких трактов учитывались тепловые шумы, степень нелинейности высокочастотного тракта аналоговой радиорелейной аппаратуры.

Использование указанных методов передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых РРЛ имеет существенное экономическое значение, так как позволяет организовывать цифровые тракты без значительных финансовых затрат, используя существующую инфраструктуру РРЛ. В ближайшие 10-15 лет данный вариант организации связи будет иметь немаловажное значение на внутризоновых и магистральных линиях для обеспечения цифровых каналов телефонии, цифровых каналов телевидения DVB, доступа в Интернет и соединительных линий операторов сотовой связи.

Перечисленные аспекты позволяют считать актуальным дальнейшее исследование возможностей цифровизации РРЛ. В частности целесообразно исследовать:

влияние на помехоустойчивость нелинейности амплитудной характеристики и зависимости фазы выходного сигнала от амплитуды входного сигнала усилителя мощности передатчика;
возможность применения многопозиционной фазовой модуляции для повышения скорости передачи цифрового сигнала и увеличения протяженности участка, на котором может быть организована связь без регенерации сигнала.

Цель работы

Целью настоящей работы является исследование особенностей передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых РРЛ, исследование факторов, определяющих отношение сигнал/шум для таких систем и разработка методов оценки помехоустойчивости при организации переприема сигналов без регенерации на промежуточных станциях.

Основные задачи исследования

Поставленная цель исследований требует решения следующих основных задач:

разработать методику определения шумов от нелинейных переходов ВЧ тракта с учетом вида передаваемого сигнала;
разработать методику определения шумов, вызванных неоднородностями в антенно-фидерном тракте;
разработать методику определения шумов, возникающих при прохождении фазоманипулированного сигнала с неравномерной огибающей через СВЧ устройства с амплитудно-фазовой конверсией;
разработать методику определения помехоустойчивости и возможной дальности связи при передаче цифровых сигналов методом многопозиционной фазовой модуляции без регенерации сигналов на промежуточных радиорелейных станциях.

Методы исследования

Для решения поставленных задач используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, математического моделирования, теории распространения радиоволн, а так же методы вычислительной математики и статистического моделирования. Часть результатов получена с использованием численных методов, реализованных на компьютере в среде MathCAD. Для подтверждения полученных теоретических результатов разработана модель системы радиосвязи при передаче сигналов с фазовой модуляции в среде MatLAB, с помощью которой и выполнены экспериментальные исследования.

Научная новизна результатов работы

Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

разработана методика определения отношения сигнал/шум на интервале радиорелейной линии с учетом особенностей фазоманипулированных сигналов и параметров аналогового радиорелейного оборудования;
разработана методика определения шумов, возникающих при прохождении фазоманипулированного сигнала через устройства с амплитудно-фазовой конверсией;
разработана методика определения вероятности ошибочного приема при передаче фазоманипулированного сигнала для различных значений позиционности фазовой модуляции с учетом амплитудно-фазовой конверсии;
разработана методика определения вероятности ошибки при использовании метода уменьшения мощности радиопередающего устройства (Back-Off) для уменьшения амплитудно-фазовой конверсии с целью повышения помехоустойчивости приема;
разработана методика расчета возможной дальности связи с учетом структуры радиорелейной линии (количество промежуточных и узловых станций).

Достоверность полученных результатов

Достоверность научных положений и работоспособность предложенных алгоритмов подтверждены результатами моделирования в среде MatLAB.

Практическая ценность результатов

Рассмотренные в работе вопросы актуальны для практических приложений при модернизации действующих аналоговых радиорелейных систем передачи. Результаты, полученные в работе, позволяют учесть влияние реальных характеристик аналоговых РРЛ на помехоустойчивость передачи по ним цифровых сигналов с многопозиционной фазовой модуляцией. Разработанные методики позволяют определять отношение сигнал/шум на интервале РРЛ и рассчитывать возможную дальность связи без регенерации сигнала на промежуточных станциях, что позволит эффективнее осуществлять процесс цифровизации аналоговых радиорелейных систем передачи.

Выполненные исследования позволили выработать практические рекомендации для оценки возможной дальности связи при цифровизации аналоговых радиорелейных линий.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре систем радиосвязи (СРС).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2003 г. 2004 г. 2005 г., 2006 г., 2007 г., 2008 г.

2. Третья региональная школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники (СПР-2005)», Новосибирск, 2005.

3. Международная школа конференция «Информационно-телекоммуникационные системы - 2006», г. Новосибирск, 2006 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в их числе 4 статьи и 8 тезисов докладов.

Основные положения работы, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

результаты исследования факторов, определяющих отношение сигнал/шум на интервале аналоговой радиорелейной линии при передаче цифровых сигналов с фазовой модуляцией и методика расчета отношения сигнал/шум;
результаты исследования влияния амплитудно-фазовой конверсии на помехоустойчивость приема сигналов с фазовой модуляцией и паразитной амплитудной модуляцией;
результаты исследования влияния метода Back-Off, применяемого для уменьшения влияния амплитудно-фазовой конверсии и результаты расчета вероятности ошибки при различных значениях Back-Off и различных методах модуляции;
результаты исследования возможной дальности связи без регенерации сигналов на промежуточных станциях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 165 страниц машинописного текста, 84 рисунка, 22 таблицы. В библиографию включены 50 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается характеристика существующего состояния сетей связи на основе радиорелейных линий, перспективы развития радиорелейной связи в период перехода на цифровые методы передачи информации, обоснована актуальность темы диссертации, приводится обзор публикаций по тематике диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены принципы построения аналоговых радиорелейных линий с точки зрения их возможной цифровизации. Разработка первых вариантов передачи цифровых сигналов по аналоговому стволу началась в середине 70-х годов и по мере разработки технической базы успешными были признаны три основных направления:

передача одного или двух первичных цифровых сигналов Е1 на поднесущей частоте в основной полосе частот выше спектра аналогового телевизионного или телефонного сигнала. Использование метода частотной модуляции позволяет сохранить систему управления многоствольной РРЛ, организованной в телефонном стволе. При практической реализации наибольшее распространение получил метод, при котором цифровые сигналы со скоростью 2,048 Мбит/с (Е1) передаются путем двухпозиционной относительной фазовой модуляции (2-ОФМ) поднесущей частоты. Такой метод достаточно прост в реализации и не требует внесения изменения в аналоговое оборудование, однако, позволяет организовать цифровой поток небольшой скорости;
передача цифровых сигналов со скоростью 8,448 Мбит/с (Е2), для чего используется вся основная полоса частот радиоствола за исключением нижней части спектра, что позволяет сохранить в телефонном стволе передачу сигналов системы управления аналоговой РРЛ. При этом используется метод троичной частотной модуляции квазитроичным цифровым сигналом в коде АМI, который допускает ограничение полосы пропускания в нижней части спектра. Данный метод отличается большей возможной скоростью передачи в стволе РРЛ, но требует соблюдения некоторых требований к радиорелейной аппаратуре (в частности ужесточаются требования к неравномерности амплитудно-частотной характеристики и характеристики группового времени запаздывания);
передача третичного цифрового потока (Е3) со скоростью 34 Мбит/с по стволу аналоговой РРЛ представляется наиболее перспективным и выгодным вариантом цифровизации радиорелейной линии.

При организации третичного цифрового тракта в стволе аналоговой РРЛ цифровой сигнал занимает всю основную полосу частот и передача других сигналов в данном стволе невозможна. Для размещения цифровой информации в стволе РРЛ необходима полная замена оконечного модемного аналогового оборудования на цифровое. Из экономических соображений целесообразно сохранение инфраструктуры аналоговой РРЛ, при которой на промежуточных станциях производится переприем сигнала без регенерации сигнала.

Использование существующей структуры аналоговых радиорелейных линий, где осуществляется переприем сигнала по промежуточной частоте, приводит к следующей проблеме. При многократном переприеме сигнала на ПРС без регенерации на выходе участка РРЛ между узловыми и оконечными станциями происходит накопление шумов и помех, что приводит к резкому росту вероятности ошибок на выходе секции резервирования

, (1)

где n – количество переприемов сигнала на участке РРЛ между узловыми и оконечными станциями;

- мощность сигнала на входе

радиорелейной станции (

);

- мощность шумов различного происхождения, приведенный ко входу

радиорелейной станции;

- мощность сигнала на входе

радиорелейной станции, на которой будет производиться демодуляция и регенерация сигнала.

При оценке шумов различного происхождения в тракте РРЛ необходимо учесть:

тепловые шумы приемных устройств;
шумы от нелинейных переходов высокочастотного тракта;
шумы от нелинейных искажений сигнала, вызванных отражениями в антенно-волноводном тракте.

Если аналоговая радиорелейная линия состоит из нескольких участков резервирования (модемных участков), то итоговая вероятность ошибки на выходе РРЛ составит

, (2)

где m – число участков резервирования РРЛ.

Справедливость выражений (1, 2) доказана в ряде работ по данному вопросу.

В настоящее время существует довольно широкий ряд цифровых модемов, позволяющих получить сигнал промежуточной частоты 70МГц, модулированный цифровым сигналом Е3 методом четырехпозиционной фазовой модуляции, так как именно методы модуляции 4-ОФМ и 4-ОФМ-С являются оптимальными с точки зрения простоты реализации, занимаемой полосы частот и помехоустойчивости. Однако ограничение спектра сигналов с фазовой модуляцией при формировании полосы пропускания радиоканала приводит к возникновению уменьшения амплитуды огибающей сигнала в моменты смены фазы, причем уменьшение тем глубже, чем больше значение скачка фазы (при смене фазы на 180º наблюдается уменьшение до нуля). Наличие неравномерности огибающей фазоманипулированного сигнала приводит к появлению паразитной фазовой модуляции, вызванной амплитудно-фазовой конверсией (АФК), что увеличивает вероятность ошибки при приеме цифровых сигналов.

Для оценки качества передачи цифровых сигналов по стволам аналоговой РРЛ и возможной дальности связи без регенерации сигнала на промежуточных станциях необходимо разработать:

методику определения шумов от нелинейных переходов ВЧ тракта с учетом вида передаваемого сигнала;
методику определения шумов, вызванных неоднородностями в фидерном тракте;
методику определения шумов, возникающих из-за влияния амплитудно-фазовой конверсии, при прохождении ФМ-сигнала с неравномерной огибающей через СВЧ устройства и методы их уменьшения.

При определении мощности тепловых шумов приемных устройств и определении мощности сигнала на входе приемника можно воспользоваться существующими методиками.

Во второй главе рассмотрены факторы, которые определяют соотношение сигнал/шум на интервале аналоговой РРЛ.

Мощность сигнала на входе приемника определяется энергетическими параметрами приемо-передающей аппаратуры и условиями распространения сигнала на интервале РРЛ. Данный параметр может быть определен с помощью уравнения радиосвязи. Произведенные расчеты показывают, что средние значения уровня сигнала на входе приемника имеют величину минус (55-70) дБВт.

Для определения шумов и искажений, вносимых приемо-передающей аппаратурой необходимо рассмотреть следующие составляющие:

1) Значительную часть мощности шумов в тракте радиорелейной линии составляют тепловые шумы, источником которых являются входные цепи приемника. Расчеты показали, что значения тепловых шумов системы с учетом шумов антенны, фидерного тракта и приемника составляют не более 4 пВт.

2) Наряду с этими шумами в стволе на интервале РРЛ появляются шумы, источником которых являются продукты нелинейных искажений сигнала, передаваемого по стволу РРЛ. При рассмотрении варианта передачи цифрового сигнала с фазовой модуляцией по аналоговому радиостволу необходимо рассмотреть шумы от нелинейных переходов высокочастотного тракта.

Источником шумов от нелинейных переходов высокочастотного тракта является нелинейность фазочастотной характеристики ВЧ тракта, приводящая к возникновению паразитной фазовой модуляции, которая после детектирования сигнала на стороне приема воспринимается как шум. Для аппроксимации фазочастотной характеристики используется степенной полином третьей степени

, (3)

где

, - коэффициенты разложения характеристики ФЧХ.

Для оценки фазовой ошибки предлагается использовать аналитическое выражение, описывающее изменение частоты фазоманипулированного сигнала, с ограниченным спектром, в моменты смены фазы

или

. (4)

Величина

в (4) определяет фактическую величину скачка частоты в зависимости от полосы пропускания радиоствола, величина

зависит от тактовой частоты модулирующего цифрового сигнала и позиционности модуляции и отражает степень инерционности переходных процессов, возникающих при ограничении спектра. Используя выражения (3, 4), можно определить фазовую ошибку, вызванную нелинейностью ФЧХ

. (5)

Приобретенный паразитный фазовый сдвиг (5) приводит к возникновению напряжения сигнала ошибки при детектировании сигнала на стороне приема.

Для определения сигнала ошибки на выходе фазового детектора, вызванного нелинейностью ФЧХ высокочастотного тракта, целесообразно рассмотреть сигналы с нормированными амплитудами. Такой подход не требует определения абсолютного значения напряжения сигнала на выходе фазового детектора, следовательно, может считаться универсальным для любой реализации, так как позволит определить сигнал ошибки, выраженный относительно единичной амплитуды полезного сигнала. Результатом работы фазового детектора является вычисление функции

, (6)

где

- значение фазы фазоманипулированного сигнала текущего символа модуляции.

Абсолютное значение ошибки детектирования составит

. (7)

Напряжение сигнала ошибки распределяется неравномерно на протяжении тактового интервала на выходе фазового детектора и представляет собой нелинейную функцию. Для оценки отношения сигнал/шум на интервале РРЛ целесообразно представить искажение ФМ сигнала в виде шума для включения их в состав шумов различного происхождения. Предложено использовать методику, которая была использована для оценки шумов квантования при аналого-цифровом преобразовании. Данная методика заключается в усреднении на тактовом интервале напряжения ошибки с известным законом изменения.

Для определения эффективного значения мощности шума сначала необходимо вычислить

. (8)

Полученный результат представляет собой нормированное относительно единичного импульса значение напряжения ошибки, или

.

Выполненные для некоторых типов оборудования расчеты показали, что нормированное значение мощности шума ВЧ тракта

не превышает величины

.

3) Шумы в антенно-волноводном тракте возникают из-за наличия отраженных сигналов.

Если фидер не согласован на концах с антенной и передатчиком, то часть энергии волны, распространяющейся от передатчика к антенне, отразится и в фидере возникнет еще одна волна. Часть энергии этой волны, отразившись от стыка волновода и передатчика, образует дважды отраженную волну в направлении от передатчика к антенне. Так как коэффициенты отражения от концов фидера

обычно значительно меньше единицы, то на практике можно не учитывать волны, отраженные более чем один раз от обоих концов фидера, вследствие малой их амплитуды. Поэтому при оценке влияния неоднородностей АВТ на передаваемый сигнал можно рассматривать только основную падающую волну

и волну, отраженную от двух концов фидера

.

Ввиду того, что отраженный сигнал запаздывает относительно основного сигнала на время

, после сложения с полезным сигналом он приводит к нелинейным искажениям модулированного сигнала. Рассмотрим процесс возникновения нелинейных искажений, вызванный наличием в волноводе отраженных волн.

Если отраженный сигнал запаздывает на время

, а в точке отражения из-за комплексного характера коэффициента отражения получается дополнительный фазовый сдвиг

, то результирующий сигнал

на приемном конце определяется из векторной суммы, показанной на рисунке 1.

Очевидно, что наличие фазового сдвига

приводит к возникновению паразитной фазовой модуляции информационного сигнала, величина которого есть значение

Рисунок 1 – Сложение векторов напряжения основного и

отраженного сигналов

В диссертационной работе показано, что фазовый угол

в конце модемного участка является случайной величиной, которая может принимать любые значения от -π до +π с одинаковой вероятностью.

Из рисунка 1 видно, что значение паразитного фазового сдвига результирующего сигнала

примет значение близкое к максимальному, если расхождение по фазе основного и отраженного сигнала будет равно

. С учетом этого можно записать

. (9)

Так как значения коэффициентов отражения реальных АВТ не превышают 10%, то с использованием (9) определены значения паразитного фазового сдвига, которые не превышают 0,01 радиан.

Для расчета напряжения ошибки, которое вызывается паразитной фазовой модуляцией сигнала, возникающей в антенно-волноводном тракте можно воспользоваться разработанной ранее методикой, которая применялась для оценки шумов антенно-волноводного тракта. Результаты расчета нормированной мощности шумов антенно-волноводного тракта

показали, что эта величина не превышает

.

Далее с использованием существующих и разработанных методик рассчитаны значения отношения сигнал/шум на интервале РРЛ, которые для различных типов аппаратуры имеют величину 40 – 45 дБ.

Третья глава посвящена разработке методики определения вероятности ошибочного приема сигналов с фазовой модуляцией при воздействии АФК.

За основу взята методика оценки помехоустойчивости приема сигналов М-ФМ с использованием дополнительной функции ошибок

, (10)

где

- функция ошибок,

.

Данная методика позволяет определить вероятность ошибочного приема в зависимости от отношения сигнал/шум и позиционности фазовой модуляции. Однако такая постановка задачи не позволяет определить степень ухудшения качества связи на интервале РРЛ при воздействии явления амплитудно-фазовой конверсии, которым обладают приемо-передающие устройства СВЧ и в особенности усилители мощности. Поэтому была разработана методика определения вероятности ошибки при воздействии АФК и шума.

Для оценки влияния АФК предложено использовать модель Салеха, которая описывает зависимость амплитуды (11) и фазы (12) выходного сигнала от амплитуды входного сигнала

, (11)

, (12)

где

- нормированная относительно максимального значения амплитуда входного фазоманипулированного сигнала.

Как уже упоминалось, воздействие АФК сказывается в появлении дополнительно фазового сдвига в составе фазоманипулированного сигнала. Закон изменения огибающей сигнала М-ФМ (паразитную амплитудную модуляцию) предлагается представить в виде

. (13)

Наличие нелинейного фазового сдвига

приводит к изменению местоположения сигнальной точки на фазоамплитудной плоскости, что приводит к уменьшению расстояния между ними, а, следовательно, и к увеличению вероятности ошибочного приема, причем необходимо учесть и воздействие шумов интервала РРЛ. Данный процесс отражен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Возникновение ошибки при воздействии гауссовского шума и АФК на сигнал с фазовой модуляцией

Используя закон изменения фазы сигнала, полученный на основе выражения (9), разработана методика определения функции плотности распределения фазы

в зависимости от скачка фазы (для 45º, 90, 135º, 180º).

Таблица 1 - Функция, аппроксимирующая плотность распределения

	а₁	а₂	а₃	Пределы изменения величины	Функция, аппроксимирующая плотность распределения величины
45º	0,081		0,04	0,005 – 0,145
90º	0,126	7500	0,04	0,01 – 0,31
135º	0,22	3000	0,04	0,02 - 0,425
180º	0,26	900	0,04	0,02 – 0,52

Изменение расположения сигнальной точки из-за АФК приведет к заведомому уменьшению расстояния ошибок d, которое для М-позиционной модуляции предлагается учитывать согласно выражению

. (14)

При приеме реального сигнала М-ФМ, необходимо учесть все возможные варианты смены фаз, характерные для каждого конкретного вида манипуляции и вероятность появления каждого такого события.

Таким образом, для определения вероятности ошибочного приема сигналов М-ФМ, при условии модуляции сигнала несущей частоты псевдослучайным цифровым сигналом необходимо учесть следующие факторы:

воздействие шумов интервала РРЛ, которые подчиняются нормальному закону распределения;
наличие различных паразитных фазовых сдвигов, плотность распределения которых определяется в соответствии с таблицей 1;
вероятность появления конкретной величины фазового сдвига при фазовой модуляции. В данной работе рассматриваются методы 4-ОФМ, 4-ОФМ со сдвигом, 8-ОФМ.

Окончательное выражение для определения вероятность ошибочного приема сигналов М-ФМ, прошедших тракт радиорелейной линии с АФК имеет вид

,

где

. (15)

В соответствии с (15) построены графики зависимостей вероятности ошибки от отношения сигнал/шум (рисунок 3).

Полученные зависимости позволяют сделать следующие выводы:

применение 4-ОФМ требует обеспечения на выходе радиорелейной линии отношения сигнал/шум не менее 16,3 дБ (для обеспечения вероятности ошибки 10^-3), а использование 4-ОФМ-С позволяет снизить эту величину до 14,4 дБ. Это связано с тем, что в сигнале 4-ОФМ-С исключены варианты смены фазы на 180º;
использование 8-ОФМ с заданным качеством невозможно, так как паразитный фазовый сдвиг уже выводит сигнальную точку на фазоамплитудной плоскости за пределы области принятия правильных решений. Причем возникновение несократимой ошибки делает невозможным связь даже при большом отношении сигнал/шум.

Рисунок 3 – Вероятность ошибочного приема сигналов М-ФМ, прошедших тракт РРЛ с АФК

Далее, используя полученные зависимости, можно определить эквивалентный проигрыш в отношении сигнал/шум

из-за влияния АФК на интервале как разницу между теоретическими кривыми вероятности ошибки для заданного вида модуляции и кривыми, полученными с учетом АФК по предложенной методике. Так, из рисунка 3 следует, что из-за АФК отношение сигнал/шум на интервале РРЛ ухудшается на 7,9 дБ в случае 4-ОФМ и на 6,48 дБ в случае 4-ОФМ со сдвигом.

Таким образом, зная эквивалентное ухудшение качества связи на каждом интервале, можно определить максимальное количество переприемов сигнала без регенерации (или число интервалов РРЛ), при котором будет обеспечиваться связь с вероятностью ошибки менее чем 10^-3

, (16)

где

- результирующее отношение сигнал/шум на выходе участка РРЛ из N интервалов,

- допустимое отношение сигнал/шум, при котором обеспечивается заданная вероятность ошибки,

- ухудшение отношения сигнал/шум из-за АФК.

Возможная дальность связи с применение аналоговых РРЛ не превышает трех интервалов в случае модуляции 4-ОФМ (при обеспечении отношения сигнал/шум не менее 45 дБ).

Использование 4-ОФМ-С, исключающей в составе своего сигнала скачки фазы на 180 градусов, позволяет организовать связь на участке резервирования без регенерации сигнала на промежуточных станциях, причем число интервалов может достигать четырех (при обеспечении отношения сигнал/шум не менее 45 дБ).

Для уменьшения влияния АФК используется метод Back-Off, который заключается в уменьшении мощности радиопередатчика, что приводит к переходу в линейный режим работы и уменьшает абсолютное значение паразитного фазового сдвига из-за АФК. С использованием изложенной выше методики учета влияния АФК разработана методика определения вероятности ошибки при применении метода Back-Off. Учет Back-Off производится при определении функций плотности распределения фазы

после изменения рабочей точки выходного СВЧ устройства. Наибольший интерес представляет исследование возможностей применения метода модуляции 8-ОФМ. На рисунке 4 приведены зависимости вероятность ошибочного приема сигнала 8-ОФМ, прошедшего тракт РРЛ с АФК с учетом метода Back-Off.

В случае использования модуляции 8-ОФМ наиболее интересен случай Back-Off 2,5-3,0 дБ, при котором эквивалентное ухудшение помехоустойчивости с учетом уменьшения мощности передатчика по сравнению с теоретической зависимостью имеет минимальную величину около 10 дБ. Это дает возможность обеспечить на модемном участке 2 переприема без регенерации сигнала и значительное число участков резервирования. Такой случай может иметь практическое значение при наличии на линии промежуточных станций с выделением информации, что позволит организовать модемные участки из двух интервалов.

Зная конкретную структуру РРЛ (число интервалов на участке

и количество участков

резервирования) можно определить вероятность ошибочного приема сигнала в конце радиорелейной линии (а, следовательно, и возможную дальность связи) с учетом того, что регенерация цифрового сигнала производится только на узловых станциях

. (17)

Рисунок 5 – Вероятность ошибочного приема сигнала 8-ОФМ, прошедшего тракт РРЛ с АФК с учетом метода Back-Off

Разработанная методика позволит учесть влияние реальных характеристик существующих аналоговых радиорелейных линий, так как представляет собой конкретные результаты, позволяющие оценить возможности таких РРЛ для передачи цифровых сигналов.

В четвертой главе представлена модель исследуемой системы радиосвязи выполненная в среде MATLAB с использованием приложения Simulink. Описаны основные блоки, входящие в состав модели и их необходимые настройки. С использованием графического интерфейса BERTool GUI, получены графики зависимостей, подтверждающие теоретические исследования с учетом допустимой погрешности.

Заключение содержит формулировку основных научных и практических результатов диссертационной работы.

Приложения содержат материалы, не вошедшие в основные разделы диссертации: справочные материалы, тексты расчетных частей программ моделей и методик с использованием программы MathCAD 13.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Приведен обзор основных способов цифровизации аналоговых радиорелейных линий и существующих работ по вопросам нормирования качественных параметров цифровых трактов, организованных в стволах аналоговых РРЛ. Для дальнейших исследований выбран наиболее перспективный вариант цифровизации, при котором весь спектр сигнала основной полосы занимается цифровым сигналом и для передачи используются фазовые методы модуляции.
Разработана методика расчета отношения сигнал/шум на интервале РРЛ, которая позволяет учесть:
- среднее значение уровня сигнала на входе приемника, которое обеспечивается в течение 50% времени для случая среднестатистической рефракции на интервале РРЛ;
- мощность тепловых шумов, приведенных к входу приемника;
- мощность шумов от нелинейных переходов высокочастотного тракта с учетом структуры фазоманипулированного сигнала и вида фазочастотной характеристики радиоствола аналогового радиорелейного оборудования;
- мощность шумов антенно-волноводного тракта, с учетом согласованности на стыках волноводных элементов (через КСВ) и потерь сигнала при распространении по волноводу.
Полученные результаты показывают, что реальные средние значения отношения сигнал/шум имеют порядок 40- 45 дБ.
Разработана методика определения вероятности ошибки при воздействии амплитудно-фазовой конверсии на сигнал с фазовой модуляцией при наличии в нем скачков фазы, которые ведут к возникновению паразитной амплитудной модуляции сигнала. Методика позволяет учесть:

зависимость паразитного фазового сдвига из-за АФК от значения скачка фазы в фазоманипулированном сигнале;
наличие шума, который добавляет к фазовому сдвигу случайную составляющую и дополнительно смещает сигнальную точку на фазоамплитудной плоскости;
вероятность возникновения различных скачков фазы в реальном М-ФМ сигнале, с учетом того, что в модулирующем цифровом сигнале произведена операция скремблирования.

На основе полученных зависимостей вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для методов модуляции 8- ОФМ, 4-ОФМ и 4-ОФМ-С рассчитаны:

эквивалентное ухудшение отношения сигнал/шум при воздействии АФК по сравнению с теоретическими графиками для 4-ФМ и 8-ФМ;
минимально-допустимые значения отношения сигнал/шум при которых вероятность ошибки достигает 10^-3;
Допустимое число переприемов сигнала без регенерации на ПРС, после чего вероятность ошибки достигает 10^-3.

Разработана методика оценки помехоустойчивости систем связи с учетом снижения уровня передачи (Back-Off) и уменьшения влияния АФК и сопутствующего данному процессу снижение отношения сигнал/шум на входе приемника. Проведенные расчеты показывают возможность использования метода 8-ОФМ для передачи цифровых сигналов по аналоговым РРЛ, причем количество переприемов без регенерации сигналов может достигать двух.
Полученные результаты позволяют рассчитать вероятность ошибки на выходе РРЛ с учетом реальной структуры (количества промежуточных и узловых станций) и определить возможное число переприемов сигнала без регенерации (число интервалов).
Достоверность полученных аналитических результатов подтверждена моделированием рассматриваемых процессов в среде MATLAB.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Б.Н.Маглицкий, М.Г. Кокорич. Повышение пропускной способности цифровых стволов на аналоговых радиорелейных линиях // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2003 г. – с.64.
В.И.Носов, М.Г.Кокорич. Анализ причин ухудшения качества передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий // Материалы юбилейной (десятой) международной научно-технической конференции «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Новосибирск, 2004 г. - с.179.
М.Г.Кокорич. Особенности передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий // Труды третьей региональной научно-технической школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники СПР-2005», Новосибирск, 2005 г. – с.23-26.
М.Г.Кокорич. Влияние амплитудно-фазовой конверсии на вероятность ошибочного приема сигналов с 4-ОФМ // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2005 г. – с. 153.
М.Г Кокорич., В.И. Носов. «Анализ причин, влияющих на качество передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий» // Международный научно-технический семинар «Перспективы развития средств и систем телекоммуникаций», Екатеринбург, 2005. – с. 58-64.
В.И.Носов, М.Г.Кокорич, Влияние параметров высокочастотного тракта аналоговой радиорелейной линии на качество передачи фазоманипулированного сигнала // Международный научно-технический семинар «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Иркутск, 2006. – с. 106-114.
В.И.Носов, М.Г.Кокорич. Влияние нелинейности ФЧХ высокочастотного радиотракта на качество передачи фазоманипулированных сигналов // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2006 г. – с. 33.
М.Г. Кокорич. Влияние характеристик радиоствола аналоговой радиорелейной линии на передачу цифровых сигналов с фазовой манипуляцией. // Международная школа конференция «Информационно-телекоммуникационные системы - 2006», г. Новосибирск, 2006 г. – 50-51 с.
М.Г.Кокорич. Определение вероятности ошибочного приема сигналов М-ФМ при влиянии АФК // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2007 г. – с.217.
М.Г.Кокорич. Определение вероятности ошибочного приема сигналов с многопозиционной фазовой модуляцией, прошедших устройства СВЧ с АМ/ФМ преобразованием // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2008 г. – с.354
М.Г.Кокорич. Исследование возможностей передачи сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ) по стволам аналоговых радиорелейных линий. // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2008 г. – с.355.
Носов В.И., Кокорич М.Г., Дроздов Н.А. Влияние амплитудно-фазовой конверсии устройств СВЧ на качество передачи цифровых сигналов с фазовой модуляцией // Естественные и технические науки. – 2008. - №5 – с. 271-277.

Кокорич Марина Геннадьевна

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 12.11.08

формат бумаги 60х84/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10,

изд. л. 1,2 , заказ № 90, тираж 100. СибГУТИ

630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86

Blog

Исследование помехоустойчивости передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий

Содержание

Кокорич Марина Геннадьевна

Автореферат