Демодуляція широкосмугових сигналів з оцінкою параметрів нестаціонарного радіоканалу адаптивним фільтром Калмана - Автореферат

Стрімкий розвиток систем звязку з рухомими обєктами повязаний з постійно зростаючою кількістю абонентів, що вимагає використання нових більш ефективних методів передавання та оброблення сигналів, ціль впровадження яких - зменшення робочого відношення сигнал/шум на вході демодулятора, оскільки: - збільшується кількість активних абонентів; так, зменшення робочого відношення сигнал/шум на 3 ДБ дозволяє збільшити кількість активних абонентів у двічі без збільшення смуги частот, використовуваної каналом звязку для передавання; Досягти бажаного зменшення робочого відношення сигнал/шум у системах звязку з рухомими обєктами можна за рахунок: - впровадження когерентної демодуляції, що дозволяє отримати виграш у відношенні сигнал/шум, у залежності від ймовірності помилки, до 3 ДБ; Оптимальне значення шумової смуги системи автоматичного керування, яке забезпечує мінімум дисперсії помилки, залежить як від ширини спектра оцінюваного параметру, так і від відношення сигнал/шум на виході детектора помилки і приблизно дорівнює ширині спектра параметру. Отже, спостерігається протиріччя: сучасні методи передавання та оброблення цифрових сигналів дозволяють суттєво зменшити робоче відношення сигнал/шум, а отже покращити ефективність системи звязку з рухомими обєктами; у нестаціонарному каналі класичні методи оцінювання параметрів навпаки вимагають збільшення відношення сигнал/шум. розроблені схеми оцінювання параметрів каналу системи звязку з рухомими обєктами можуть бути використані у будь-якій системі передавання широкосмугових сигналів; розроблені схеми у порівнянні з класичними схемами дозволяють отримати значний енергетичний виграш при демодуляції широкосмугових сигналів у нестаціонарних радіоканалах при малих відношеннях сигнал/шум; для практичного впровадження розроблених схем у сучасних системах звязку немає необхідності заміни апаратної частини, достатньо розробити відповідне програмне забезпечення.Принцип побудови схеми оцінювання будь-якого параметру на основі фільтра Калмана полягає в наступному: оскільки фільтр Калмана це лінійна система, то для оцінювання будь-якого параметру необхідний відповідний детектор, сигнал на виході якого є суміш корисної складової та шуму; задача фільтра Калмана полягає в тому, щоб максимально придушити шум на виході детектора (рис. 2, можна було б використати заради простоти схеми оцінювання будь-який інший, наприклад, пропорційно інтегруючий фільтр (ПІФ) або RC-фільтр. У сучасних системах звязку, в тому числі у системі звязку UMTS, для рішення цієї задачі використовується пілот-сигнал і модуляція знімається простим перемноженням пілот-сигналу і сигналу, що демодулюється. На основі викладеного принципу були розроблені схема сумісного оцінювання коефіцієнта передачі каналу і набігу фази у каналі (схема відновлення несівного коливання - ВН) та схема оцінювання затримки сигналу у каналі (схема тактової синхронізації - ТС). Для визначення енергетичних втрат необхідно було вирішити дві задачі: визначити завадостійкість демодулятора у разі ідеального оцінювання параметрів каналу (у якості демодулятора виступає RAKE-приймач); визначити завадостійкість демодулятора у разі оцінювання параметрів каналу розробленими схемами.Задача оцінювання параметрів каналу повинна вирішуватися для забезпечення оптимальної демодуляції сигналів, та її рішення дуже ускладнюється у нестаціонарних радіоканалах. Оскільки використання класичних методів оцінювання параметрів нестаціонарного радіоканалу за інформаційним сигналом з використанням систем автоматичного керування можна вважати вкрай не ефективним, то були розроблені метод та схеми оцінювання параметрів адаптивним фільтром Калмана за пілот-сигналом і визначена їх ефективність.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У дисертаційній роботі вирішена задача оцінювання параметрів нестаціонарного радіоканалу адаптивним фільтром Калмана за пілот-сигналом. Задача оцінювання параметрів каналу повинна вирішуватися для забезпечення оптимальної демодуляції сигналів, та її рішення дуже ускладнюється у нестаціонарних радіоканалах. Оскільки використання класичних методів оцінювання параметрів нестаціонарного радіоканалу за інформаційним сигналом з використанням систем автоматичного керування можна вважати вкрай не ефективним, то були розроблені метод та схеми оцінювання параметрів адаптивним фільтром Калмана за пілот-сигналом і визначена їх ефективність.

У процесі вирішення поставленої задачі були отримані наступні результати: 1) проведено аналіз статистичних характеристик параметрів каналів звязку з рухомими обєктами різних типів і встановлено аналітичний звязок між швидкістю руху абонента і шириною спектра параметрів;

2) розроблена математична модель системи звязку з рухомими обєктами, алгоритми компютерного моделювання нестаціонарних параметрів каналу звязку та написана компютерна програма-модель;

3) отримані аналітичні вирази інтервалу кореляції і дисперсії процесу, сформованого різницевим рівнянням 1-го порядку;

4) отримані вирази виграшу фільтра Калмана і межі коефіцієнта підсилення фільтра Калмана у стаціонарному випадку;

5) досліджені робастні властивості фільтра Калмана;

6) розроблено алгоритм адаптивної фільтрації Калмана, тобто отримані рекурентні вирази оцінок параметрів фільтра Калмана (коефіцієнта підсилення, дисперсії шуму спостереження, коефіцієнта передачі моделі спостереження);

7) доведена стійкість і досліджена збіжність розробленого алгоритму адаптивної фільтрації Калмана;

8) розроблені схеми оцінювання коефіцієнта передачі каналу, набігу фази у каналі і затримки розповсюдження сигналу у каналі;

9) на основі енергетичного підходу отримано аналітичний вираз завадостійкості Rake-приймача у разі ідеального оцінювання параметрів каналу звязку з рухомими обєктами;

10) в результаті компютерного моделювання визначена завадостійкість Rake-приймача у разі оцінювання параметрів каналу адаптивним фільтром Калмана, RC-фільтром, ПІФ і визначено, що адаптивний фільтр Калмана забезпечує енергетичний виграш у 8 ДБ;

11) визначена ефективність оцінювання параметрів каналу звязку за пілот-сигналом з використанням адаптивного фільтра Калмана, яка складає 8 ДБ у порівнянні з класичними схемами когерентної і некогерентної демодуляції сигналів ОФМ-2 без пілот-сигналу.

Таким чином, поставлена у роботі задача розробки ефективного методу та схем оцінювання параметрів нестаціонарного радіоканалу була вирішена. Результат рішення задачі, тобто схеми оцінювання параметрів нестаціонарного радіоканалу, може бути використаний у будь-якій системі передавання широкосмугових сигналів. Для практичного впровадження розроблених схем у сучасних системах звязку немає необхідності заміни апаратної частини, достатньо розробити відповідне програмне забезпечення.

1. Решетняк О. А. Корреляционные свойства широкополосных сигналов // Праці УНДІРТ. - 2001. - №4(28). - С. 25-26.

2. Решетняк О. А. Радиоинтерфейс спутникового сегмента UMTS // Праці УНДІРТ. - 2002. - №3(31). - С. 57-58.

3. Решетняк О. А. Оценка количества абонентов в одной соте сети UMTS // Праці УНДІРТ. - 2003. - №1(33). - С. 28-34.

4. Иващенко П.В., Решетняк О.А. Моделирование каналов наземной подвижной связи // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2003. - №1. - 57.

5. Решетняк О.А. Моделирование каналов наземной и спутниковых систем подвижной связи // Праці УНДІРТ. - 2003. - №2(34)-3(35). - С. 14-16.

6. Решетняк О. А. Анализ методов демодуляции сигналов в системах подвижной связи с кодовым разделением // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2003. - №4. - С. 50-56.

7. Иващенко П.В., Решетняк О.А. Исследование фильтра Калмана и его робастных свойств // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2004. - №2. - 31.

8. Решетняк О. А. Разработка алгоритма адаптивной фильтрации Калмана // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2004. - №3. - С. 46-50.

9. Решетняк О.А. Завадостійкість приймання широкосмугових сигналів у системах рухомого звязку // Матеріали VII Міжнародної науково-практичної конференції "Наука і освіта 2004". - Том 63. Технічні науки. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - С. 58-59.

10. Решетняк О. А., Иващенко П. В. Демодуляция сигналов с оценкой параметров радиоканала адаптивным фильтром Калмана // Сборник научных трудов 2-го Международного форума "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития". - Том IV. Международная конференция "Телекоммуникационные технологии и сети". - Харьков: ХНУРЕ, 2005. - С. 197-200.

Размещено на .ru