Главная » 2014 » Июль » 15 » Скачать Повышение эффективности реализации высокоскоростных (до сотен МБИТ/С) фазовых модемов. Антонов, Геннадий Васильевич бесплатно
10:54 AM
Скачать Повышение эффективности реализации высокоскоростных (до сотен МБИТ/С) фазовых модемов. Антонов, Геннадий Васильевич бесплатно
Повышение эффективности реализации высокоскоростных (до сотен МБИТ/С) фазовых модемов
Диссертация
Автор: Антонов, Геннадий Васильевич
Название: Повышение эффективности реализации высокоскоростных (до сотен МБИТ/С) фазовых модемов
Справка: Антонов, Геннадий Васильевич. Повышение эффективности реализации высокоскоростных (до сотен МБИТ/С) фазовых модемов : диссертация кандидата технических наук : 05.12.02 Ленинград, 1983 233 c. : 61 85-5/4959
Объем: 233 стр.
Информация: Ленинград, 1983
Содержание:
1 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РШЛ&ЗЩЮШШХ ПОГРЕИ-ЮСТЕЙ НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ МЗОВЫХ МОДЕРЮВ
11 Классификация структурных схем фазовых манипуляторов и фазовых детекторов 'И
12 Влияние ограниченных помех на помехоустойчивость ^
13 Влияние иска"?1ения системы сигналов на помехоустойчивость "
14 Характеристики переьшолителей ^
15 Влияние характеристик перегшожителей модулятора на помехоусто1'1чивость ^
16 Влияние характеристик перегшожителей демодулятора на помехоустойчивость
17 Влияние глубокого ограничения сигнала на входе когерентного фазового детектора на помехоустойчивость US
18 В ы в о д ы $Z
2 ИССЛЕД0ВАШ1Е И СИНТЕЗ АНАЛОГОВЫХ И ДИС125 Методика настройки полинош^альных фильтров метрового диапазона 15Н шого узла систем связи, как модемы.К ocHOBHbmi задачшя теории и практики модемов для передачи дискретном хшформации по каналам связи относятся: увеличение абсолютной скорости передачи информащш при сохранении относительной скорости; увеличение относительной скорости; повьпиение достоверности. Естественно, что все эти задачи должны решаться с учетом экономические: г1)акторов, которые связаны с простотой и технологичностью проектируемых устройств.Первая из названных вьште задач требует создания аппаратуры, работающей на высоких частотах (до сотен мегагерц). Вторая предусматривает разработку многопозиционных модемов, а третья разработку сложных методов формирования и обработки сигналов.Повьшюние эффективности систем связи, так ле как и любьк технических систем, возмо;шо двумя путягш: алгоритшческим и реализационны!.!. Медду ЭТШАИ подходами с^ тцествз^ ет слолшое взартюденствие. С одной стороны, разработка новых эгЩюктивных алгоритмов требует, как правило, реализации сло}Шых устройств, а с другой стороны, расширение реализационных возмолшостей стга.13^ лирует разработку новых алгоритаюв. Вообще, жизненность того или 1Ш0Г0 нового алгоритма доказывается, в конечном счете, только реализацией и испытанием в рабоч1'1Х условиях. Повьпиение эффективности за счет лучшей реализации остается актуальны!,! и в рамках "старых" алгоритмов, так как стош,юсти каналов связи значительно превьшают стоимость оконечного оборудования.При реализации заданного оптимального алгориташ возникают три основные проблегш: кактш точностньтш характеристиками доллсны обладать узлы, реализугопр^ е алгоритм, для того, чтобы качество работы модема было бы не xjnice заданного; как добиться того, чтобы эти точностные характеристики 1мели место; как сделать узлы максимально простьми и техыологичнытш при сохранении требз^емых точностньк характеристик.Следз^ е^т отаютить, что цифровые реализации, по сутцеству, сш'шают вторую из перечисленных проблем и переводят третью в сферу цифровой вычислительной техг-1ики. Безусловно, цифровые реализации являются перспектиБнытли, и области их использования будуч} расширяться. Вместе с тем, полный переход на цифровые реализации в технике модемов в настоящее время и в достаточно далекой перспективе вряд ли возмонен. Это объясняется несколышми обстоятельстватш. Во-первых, полностью цифровые реализации проигрывают аналоговьт! по быстродействию. Во-вторых, словесность цифровых реализаций некоторых узлов при заданной точности превышает слошость аналоговых реализаций. В-третьих, на высоких частотах потребление энергии цифровьи.ш узлатш знач1'1тельпо вьшге, нежели аналогоБыгш. Указанные обстоятельства приводят к тому, что за исключением сравШ'Ттельно низкоскоростных систем, где возможны чисто цифровые реализащш, совремешые модещт являются гибридньми системами, включаюпр'Ши в себя аналоговые, дискретные и цифровые элементы. Доля элементов ка}эдого типа зависит от конкретных условий и меняется с развитием элементного базиса. Не касаясь тюто цифровых реализаций, в настоящей .диссертационной работе рассматриваются как аналоговые, так и дискретные узлы.Решение первой из проблем требует установления связи между характеристиками качества работы модема и точностны1-.ш параметрами составляЮ'1цих его узлов. В известной технической литературе подробно изучены некоторые вшшые вопросы, связанные с влиянием отдельных узлов и качеетвом реализаций на помехоустойчивость модемов /I29/. Наиболее подробно изучалось влияние систем синхронизации, характеристик фильтров, точности и стабильности фазы опорного колебания. Шесте с тем, влияние характеристик пере1Ш0Ш'1телей, которые составляют основу модуляторов и демодуляторов, исследовалось сравнительно мало /I/. Расчеты подобного рода в обптем виде чрезвычаР1Н0 трудны. В последнее время появились работы, в которы^с используются методы цифрового моделированрш /11,25/. .В тех случаях, когда в состав модели Бключаготся инерционные элементы (фильтры), врегш расчета калщой точки может быть значительньш. Это приводит к Tor.iy, что моделирование модема при малых вероятностях ; ошибки методом Монте-Карло невозмозшо из-за большого времени счета. Обычно моделируют лишь прохогд;ение сигнала, а влияние помех оценивается аналитически. Этот прием возможен лишь в тех случаях, когда весь тракт обработки сигнала является линешьм или близктл к линейно!^ 1у.Представляется, что нардг^у с цифровьм моделированием, перспективньм является и аналоговое моделировахЧие модемов. Аналоговые модели блюке к реэльньш устройствам и позволяют более полно отразить их особенности. разработка аналоговых перемнозштелей для реализации модемов также актуальна, ввгхду того, что вып^^скае^ше в настояи^ее время пере1.шоШ'1тели не позволяют решить некоторые saJKiibie реализационные задач!-!, К числу этик задач преяде всего относятся: построение выcoKOi-сачественных манипуляторов и фазовых детекторов, обеспешвающих возмозшость принятия "мягких"решений, при BHCOICI-IX скоростях передач!'! (десятки-сотни Мбит/с) и относительно имрокополосном сигнале (относительная полоса - десятки процентов); реализация устройств аналогового моделирования с гарантированной точностью.В настоя!цее время имеется тенден1щя к все возрастающему применению дискретных интегральных митфосхем для реализацрти аппаратури связи, что связано с i^ix известными преи1,1у1цествами (стабютьность, технологичность) по сравнению с аналоговшш /3034/.Если искл1041'1ть 'ЧИСТО Щ'КрроБые реализации, то утяеньшение количества аналоговых элементов возмо;шо путем создания такрзх реализационных алгоритмов, Б которых по возмозшости раньше осуп^ествляется переход к логической обработке.В результате исследовании вшцеперечисленных групп вопросов получены след,ао1цие основные научные результаты.Исследовано влияние характеристик перемнокителей на помехоустойш^вость многократшлх модемов; получены аналитические зависшлости реализационньЕС энергетических потерь фазовых модемов от погрегшостей реализащ1и перемножителей.Исследовано влияние глубокого ограничения входного сигнала демодулятора на помехоустойчивость когерентных демо,цуляторов и на ЭТОГ! основе оценена возмогшость замены аналоговы:<: перемнояител е й ди с кре тныг.ш.Разработан метод С1штеза дифференциальных код1-1рзпо!1]?^х и декодирующих устройств модемов с фазоразностной манипуляцией, обеспечивающий регулярность построения и простоту схем при различных кратностях манипуляцрш.Разработан метод рациональной настрожи полиномиальных фильтров метрового диапазона волн.Исследован разработанный дискретный компенсатор межсх-швольных помех и дана оценка его эсдаективности.Развиты методы синтеза переьшожителей и разработаны широкополосные перегшожители высокоскоростных модемов, а также прецизионные перемножлтели и делители для аналогового моделирования высокоскоростных модемов.Ш базе этих результатов на защиту выносятся след^тощие основные положения: I. Погрешности реальных перемножителей: смеп'ение нуля, прямое прохождение сигналов, нелинейьше искалсения являются основными причинами реализационных энергетических потерь в сигнальном тракте шогократных фазовых модемов, причем степень влияния этих ш погреностеи сильно растет с увеличением кратности манищ'-ляции и зависит от типа структурной схемы манипулятора и фазового де тектора; нечетные составляющТ'^е характеристик базового детектора сохраняют противоположность и ортогональность пришаиемых сигналов, четные же составляющие в ряде случаев могут переводить один сигнал в другой и, следовательно, вносят больший вклад в сни:йение помехоустойчТ'Шости.2. Ш основе разложения функции г.шогих переменных в cyi^ iy функций, кэлдая из которы:^ с четна или нечетна по ка}кдой из переменных, разработаны методы синтеза устройств, обладающих свойством нечетности по кадлой из переменных; в диссертации эти устройства названы квазиперемножителями. Прршенение предложенного метода синтеза квазиперемно;кителей в сочетании с согласованием симметрируюпр-тх гглфокополесных трансформаторов на ли ниях передачи с помощью развязки их от нелинейных элементов суТ'Ширующими BHCOKOtiacтотньпш усилителятш позволило синтезировать широкополосный двойной звездный фазовый детектор.3. Переход к двоичног.гу представлению номера варианта сигнала и номера варртанта ртформащ-юнного вектора позволил с1штезироЕать ди(1йеренциальный кодер и декодер с регулярной структ^грой при произвольной кратности манипуляции, в которььх операщш кодрфования (декод1-фования} сводится к сложению (вычт-гтанию) по модулю позшдионности сигнала; эташ обеспечена минтшза1:^Я4 по сравнению с известными схемами, числа элементов кодера и декодера. Синтезированное устройство защ1'1щено авторскрм свидетельством.Отличительной особенностью данного типа КФД и Ш является то, что они содержат максимальное число ветвей , равное М • 1 .1 .3 . Известно/I / , что минимальное число корреляторов, ш>зволящее определить проекции сигналов на лю0ую саслещ координат, равно двум. Отнесем Ш и КФД, содержащие минимально возможное число ветвей к тицу П (рис;.1.3) /10 ,37 ,3а/ . .Когерентный фазовый детектор типа II Рис. 1.3.6.На рис. 1.5 предложена структура Ш типа 1У, не требующая удвоения: счетчика^делителя. Отличительной чертой его является использование синхронного счетчикаг-делителя с параллельным переносш и перемножнтелей на выходе каждого разряда. Манипуляция осуществляется перемножителями, коэффициент передачи которых принимает одно из двух значений +1 или -I. При этом не требуется формирования дополнительных импульсов воздействия на триггеры делителей,, а следовательно, и второго счетчика-делителя.На рис. 1.6 в качестве примера приведена принципиальная схема трехкратного Ш типа 1У, выполненного на интегральных микросхемах серии 100. В ней в роли перемножителей используются схемы "ЖКЖГШОПШЕ ИЛИ". Управление Ш осуществляется трехраэрядным натуральным двоичным кодок. 1крмонйки и постоянная составляющая сигнала от^ фильтровываются выходным полосовым фильтром.Трехкратный фазовый манипулятор типа 17 Di.Z D1,di-Ki00TM15l дЗ-К100АМ105 Рис. 1.6. гг 1.1 •б. Некоторые рекомендации, по выбору структур» Ш и КШ типа I целесообразно использовать при малой кратности (К-^3) манипуляции. Ш типа I позволяет достичь большей точности формирования сигнала (прж прочих равных условиях)., поскольку возможна раздельная рехулировка каждого из образцов сигналов.Структуру типа П целесообразно использовать в высокоскоростных модемах при малой кратности (1<4 2) манипуляции, а в низкоскоростных при любой кратности, поскольку в последних возможно выполнение узлов: с высокой ТОЧНОСТЬЮ, В ТОМ числе и выполнение алгоритмов в цифровой форме.Структуру типа Ш целесообразно использовать в высокоскоростных многократных модемах, поскольку в нежочетаются свойства относительной простоты управления, простоты узлов (разложение РУ на А'/Д компараторов), присущей структуре I, и вдвое меньшее количество ветвей» Ш типа 1У с использованием синхронного счетчика целесообразно применять в модуляторах любой кратности, если быстродействие элементов значительно выше несущей частоты, что необходимо для обеспечения точности мшшпуляции, т.е. Ш типа 13Г может быть рекомендован для средне- и низкоскоростных манипуляторов.Отметим, что при к =2 структуры типов П и Ш совпадают. Отме^ ТИМ также, что во всех типах; КФД, а также в Ш типа П используются аналоговые перемножители, работающие в линейном режиме; перемножители остальных типов Ш работают в ключевом режиме с коэффициентами передачи +1 или 0,1.Зависимость энергетичестшх потерь модема от абсолютного значения вероятности ошибок М /дБ/ 2 • I id' ю'"' ю'^ ю"^ ош Рис. 1.8.25реализации, сильно отличаются от статистических свойств помех в канале* Одним из главных: отличий является существенная ограниченность мгновенных значений р^удизациошип: пшех. ^дем считать, что в результате иедцеальной реализации одного или нескольких узлов в момент принятия решения к отсчету идеатшной реализации d ц добавляется реализационная помеха Д q * Цредположшгг что Лс4 распределена симметрично и стагистичеекая зависимость между вариантом сигнала и Дц отсутствует» %дем называть такуй помезсу независимой симметричной реализационнсй помехсзй. Заметим, что подобная ситуация не является единственной:, но она хорошо описнваеФ влияние межсимвольнЕхх помех, наводок, паразитных прохождений сигнал лое, и т.д» 1.2»2* Оценим влияние ограниченных сяшметричннх реализацио1Ь ных помех на помехоустойчивость для случая двух противоположных сигналов, нормального аддитивного пума, линейного когерентного д&м.одуляЕтора.Вероятность ошибки двоичного символа в этом случае определяется выражением /42/ P = 1-T(h^), (1.6) 1де:Г(х)=--— сexp(- t /2 . )d t -функция Лапласа; Q - неличина отсчета сигнала иа входе решащего усзрройства; б - дисперсия шума на входе решащего устройства.Т1аким образом, можно сделать следующий важный вывод (носящий, правда, качественный характер). Ограниченная симметричная помеха мало сказывается на помехоустойчивости линейных демодуляторов цдш. больших вероятностях ошиб?Ж, Однако с ростом отношения сигнал/щум энергетичесЕше потери реальных демодуляторов должны расти; многочисленные йкшерименты подтвердцайхг этот факт. При: малых вероятностях ошибок помехоустойчивость определяется только неблагоприят^ ными. сл;учаями. TijrAfnme ограниченной сшлютр'/чной реализационной помехи на помехоустойч1твость при когерентном приеме прот1гвоположных сигналов 0,1 0,2 0,3 0,4 Рис. 1.9.Энергетические потери при различных р 2 8 20&-.I постоянное смещение синусоидальная наводка Рис. 1.10.0,5 б,ог 5,15 ;, - .Естественно, что максимальная помехоустойчивость будет иметь место в первом случае, а минимальная - н третьем. Его и рассмотрим.Энергетические потери от исклжеьшя амплитуд сигналов в системе с трехкратной фазовой манипуляцией при ограничении средней мощности К, = 09 uh (ф) Рис. 1.19.1Л^ Характеристики перемнокцгелей Ццеальным перемножителем назнвается устройство, внходаой сигнал которого у ( У равен произведеншо входных Or^(-t) и X^W
5"/ Эквивалентная схеш пере?-шожителя с учетом реализационных погрешностей в области высоких частот Ti » — 1 ^ У у Xf Г) ! X — f ITiZ />, XZ \J Гг Рис. 1.22.
Рассмотрим влияние основных параметров перемножителей на кагчество формирования сигналов. Прежде всего отметим, что отклонение от линейности повсюду мало влияет на систетлу сформированных сигналов, Спектры сигналов вланипулятора U=l!o-COSCdot о 5-3 Формирователь фаз Ui иг Ш и, - > т П2 ПК I и»^ UM2 и п.
Имг'-Ки , п1 нал сравнительно узкополосон. В равной мере мало влгшет отклонение от линейности и по yпpaвлЯiOщeгvT7 вхсцу^ что связано с ключевым режшгмом работы перемножителей. Естественно, что смещение нуля на выходе перелшояителей не сказывается на качестве работы модулятора, ввиду отсутствия постоянной составляющей в спектре выходного сигнала.
1.5.3. Оценим влияние прямого прохождения сигнала с сигнального входа перемножителя на выход модулятора. Рассмотрим последовательно мопуляторы I . . . Ш типов, причем будем считать, что все перемноШ1тели одинаковы.
Влияние прямого прохождения сигналов перемножителей в модуляторе типа III ^.^/4.
Рис. 1.25. G5 Такигл образгол, наличие пряглого прохоадешш перемнокителей по сигнальному входу может вносить значительныг! ыслад к энергетические потери модема и, следовательно, необходикш приншлать меры к снижений (Sjf и его контролю при проектировашш и изготовлешш модуляторов, 1.6. Влияние характеристик перемно}штелей демодуляторов на помехоустойчивость 1,6.1. 1Теремно}ште.т[и непременно входят в состав фазовых детекторов, которые в том или ином ввде всегда присутствуют в схемах
