Ефективність таймерних сигналів і турбокодів та оцінка їх сумісного використання - Автореферат

Запропоновані багаторівневі таймерні сигнали в роботах Захарченка М. В., Кірєєва І. А., Дельгадо Е. В. дозволили в системах з обмеженим спектром підвищити швидкість передавання інформації майже вдвічі. У роботах з дослідження багаторівневих таймерних сигналів, таймерних сигнальних конструкцій детально не розглядалась можливість поліпшення частотної ефективності таймерних сигналів. У роботах з пошуку і дослідження алгоритмів ітеративного декодування турбокодів мало приділялося належної уваги можливості зменшення кількості операцій при збереженні високої енергетичної ефективності кодування. Таким чином, завдання дослідження багаторівневих таймерних сигналів зі зменшенням ширини спектральної складової сигналу для підвищення частотної ефективності таймерних сигналів, дослідження алгоритмів декодування і перемежувачів турбокодів, які дають можливість підвищити енергетичну ефективність турбокодів, та оцінка сигнально-кодових конструкцій на основі таймерних сигналів і турбокодів є актуальними і являють собою як теоретичний, так і практичний інтерес. Досягнення поставленої мети обумовило поставлення і вирішення наступних наукових завдань: - формування конструкцій багаторівневих таймерних сигналів (БТС) з тривалістю більшою або рівною інтервалу Найквіста та тривалістю між значущими моментами модуляції (ЗММ) більшою або рівною половині інтервалу Найквіста для зменшення ширини спектральної складової сигналів та підвищення частотної ефективності;У другому розділі - “Частотна ефективність таймерних сигналів” - запропоновано автором формули розрахунку середньої тривалості () інтервалу між ЗММ для біполярних конструкцій таймерних сигналів з фіксованим значенням переходів i на інтервалі кратному m інтервалам Найквіста - та для біполярних конструкцій таймерних сигналів з нерівномірною кількістю переходів (): , (1) де - загальна кількість реалізацій; ; - базовий елемент таймерного сигналу. На основі принципів побудови конструкцій багаторівневих таймерних сигналів і формул розрахунку кількості переходів визначено формули для розрахунку середнього інтервалу між ЗММ для конструкцій М-них багаторівневих таймерних сигналів з постійним числом переходів -, а для конструкцій з нерівномірним числом переходів аналогічно формули (1) з урахуванням формули (3). За умови формування конструкцій на основі М-них багаторівневих таймерних сигналів зі зменшенням ширини спектральної складової розглядається використання сигналів з тривалістю інтервалу () між ЗММ менше ніж інтервал Найквіста (). За одержаними результатами розрахунків БТС конструкцій з фіксованим значенням переходів зазначено, що зростання величини S при тому ж самому m та і дозволяє набути вищого значення кількості реалізацій і в деяких випадках зменшити кількість переходів, що впливає на збільшення і тим самим на зменшення ширини спектральної складової сигналу, яка визначається даною конструкцією. На основі даного методу було перераховано значення для нерівномірних за кількістю переходів БТС конструкцій й отримані результати дозволили підвищити порівняно з нерівномірними за кількістю переходів БТС конструкцій без модифікації в середньому на 3, …, 5 %.Розроблено алгоритм формування конструкцій БТС для зменшення ширини спектральної складової сигналів та підвищення частотної ефективності. При квазітрійкових конструкціях ТС можливе досягнення зменшення ширини спектральної складової сигналу в 4 рази порівняно з цифровими сигналами. Отже, представлення інформації за допомогою БТС конструкцій, що забезпечують зменшення ширини спектральної складової сигналу, дозволяє в 1,5, …, 2,9 разів зменшити спектральну складову сигналу порівняно з цифровими сигналами, що формуються на постійному інтервалі Найквіста. Але зі збільшенням значення М ефективність зменшення ширини спектральної складової сигналу знижується і при значеннях M = 8 досягається зменшення ширини спектральної складової сигналів усього в 2 рази порівняно з ансамблями М-рівневих сигналів з постійною тривалістю. Удосконалена умова формування перемежувача з кодовою відповідністю дозволила збільшити мінімальну кодову відстань турбокоду після перемежувача порівняно зі значеннями після перемежувача з кодовою відповідністю без зміни умови формування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У дисертаційній роботі проведене теоретичне і практичне дослідження частотної ефективності таймерних сигналів, енергетичної ефективності турбокодів та оцінка сумісного використання турбокодів з таймерними сигналами. Основні наукові та прикладні результати полягають у наступному: 1. Розроблено алгоритм формування конструкцій БТС для зменшення ширини спектральної складової сигналів та підвищення частотної ефективності.

Досліджені БТС, що підвищують частотну ефективність, за двома методами формування з різними параметрами m, S, M: за постійним числом переходів на фіксованій тривалості та за різним числом переходів. Показано, що найкращі характеристики мають конструкції БТС з різним числом переходів на постійній тривалості. Використовуючи запропонований метод виключення надмірного ансамблю, вдалося зменшити ширину спектральної складової для нерівномірних за кількістю переходів конструкцій БТС з тривалістю інтервалу між ЗММ на 4, …, 5% порівняно з БТС, що сформовані без використання даного методу. При квазітрійкових конструкціях ТС можливе досягнення зменшення ширини спектральної складової сигналу в 4 рази порівняно з цифровими сигналами. При збільшенні значення тривалості таймерних сигналів зменшення ширини спектральної складової сигналу носить нелінійний характер. При значеннях S вище 7 також спостерігається уповільнення зростання спектральної ефективності, що дозволяє рекомендувати не використовувати в апаратній реалізації БТС зі значеннями S вище 7.

Отже, представлення інформації за допомогою БТС конструкцій, що забезпечують зменшення ширини спектральної складової сигналу, дозволяє в 1,5, …, 2,9 разів зменшити спектральну складову сигналу порівняно з цифровими сигналами, що формуються на постійному інтервалі Найквіста. При формуванні квазітрійкових конструкцій ТС можливо одержати зменшення ширини спектральної складової сигналу до 4 разів.

Використання М-ічних ТС дозволяє зменшити займаний спектр порівняно з сигналами постійної тривалості. Але зі збільшенням значення М ефективність зменшення ширини спектральної складової сигналу знижується і при значеннях M = 8 досягається зменшення ширини спектральної складової сигналів усього в 2 рази порівняно з ансамблями М-рівневих сигналів з постійною тривалістю.

Таким чином, доцільно рекомендувати для проводових систем передавання з обмеженням спектра використання даних конструкцій для підвищення використання спектра і тим самим зменшення потужності передавання або збільшення пропускної здатності системи.

2. Удосконалена умова формування псевдовипадкового перемежувала s-типу для турбокодера дозволила в області малих і середніх значень довжин (L ? 16384 бітів) перемежувача збільшити мінімальну відстань перестановки. В області великих значень довжин перемежувача турбокодера були набуті такі самі значення мінімальної відстані перестановки, як і для псевдовипадкового перемежувача s-типу без зміни умови формування. Приріст енергетичної ефективності турбокодування за малих значень перемежувача L < 4096 - невеликий і складає 0,1, …, 0,3 ДБ. Для довжини L = 4096 бітів різниця співвідношення сигнал/шум для модифікованого і немодифікованого перемежувача s-типу склала 0,45 ДБ. В області великих значень довжин перемежування L = 8192, ..., 65536 бітів приріст ефективності кодування менш виражений порівняно з середніми довжинами перемежування і складає від 0,2 до 0,3 ДБ.

3. Удосконалена умова формування перемежувача з кодовою відповідністю дозволила збільшити мінімальну кодову відстань турбокоду після перемежувача порівняно зі значеннями після перемежувача з кодовою відповідністю без зміни умови формування. А саме, за малих значень довжини перемежувача L < 8192 бітів максимальний приріст значення мінімальної кодової відстані складає 1, …, 2, за більших значень довжини перемежувача приріст значення мінімальної кодової відстані не перевищує 1. Це дозволило підвищити енергетичну ефективність турбокодування на величину 0,1, …, 0,3 ДБ.

4. Модифікація ітеративного алгоритму турбодекодування Bi-SOVA дозволила зменшити складність декодера турбокодів приблизно на 9k на кожному кроці. При цьому енергетична ефективність декодування залишилася на тому ж високому рівні, що і в Bi-SOVA. Тому у системах звязку, що вимагають високої завадостійкості і високої швидкості передавання інформації, можна рекомендувати застосування перемежувача з кодовою відповідністю та удосконаленою умовою формування модифікованого алгоритму Bi-SOVA в декодері турбокодів.

5. Використання таймерних сигнальних конструкцій з турбокодами за турбокодової модуляції з перемежуванням бітів й ітеративним декодуванням при ЧМ-2 при значеннях S менших 8 і відносній швидкості 3/4 дозволяє одержати ймовірність помилки біта 10-6, …, 10-8 за відносно малої довжини перемежувача L ? 1024 бітів.

При збільшенні значення S вище 14 і вживання таймерних сигнальних конструкцій з турбокодами за турбокодової модуляції з перемежуванням бітів й ітеративним декодуванням при ЧМ-2 з відносною швидкістю, що дорівнює одиниці, зростає ймовірність помилки таймерних сигнальних конструкцій, що вимагає підвищення довжини перемежувача (L ? 65535 бітів) для досягнення ймовірності помилки біта 10-6, …, 10-8 за таких самих значень відношення сигнал/шум, що і для таймерних сигнальних конструкцій з меншими значеннями S.

Застосування модифікованого перемежувача з кодовою відповідністю при таймерних сигнальних конструкціях з турбокодами за турбокодової модуляції з перемежуванням бітів й ітеративним декодуванням при ЧМ-2 дозволяє підвищити енергетичну ефективність на 0,2, …, 0,4 ДБ порівняно з характеристиками ймовірності помилок біта тих самих сигнальних конструкцій, але за перемежувача з кодовою відповідністю.

Запропоновані ТСК з турбокодами за турбокодової модуляції з перемежуванням бітів й ітеративним декодуванням в каналах з високим рівнем завад дозволяють підвищити вірність прийому. При відношенні сигнал/шум

17 ДБ ТСК при ЧМ-2 у каналі з гауссівським шумом та дробленнями за логарифмічно-нормальним законом ТСК дозволяє набути значення ймовірності помилки біта 10-8, а за передавання тільки за допомогою ЧМ-2 - 10-4 з тією же відносною швидкістю передавання.

Таким чином, сумісне використання таймерних сигнальних конструкцій з турбокодами за турбокодової модуляції з перемежуванням бітів й ітеративним декодуванням у каналах з високим рівнем завад дозволяють підвищити вірність приймання та швидкість передавання інформації.

Статті у наукових фахових виданнях

1. Топалов В. В. Эффективность декореляции ошибок при совместном использовании сверточных кодов и МВК / В. В. Топалов // Зб. наук. праць УДАЗ ім. О.С. Попова. - 2001. - № 1. - С. 67 - 72. (0,2 д. а.).

2. Топалов В.В. Оценка эффективности составных Турбо конструкций /

В.В. Топалов // Зб. наук. праць ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2003. - № 3. - С. 48 - 51. (0,12 д. а.).

3. Топалов В.В. Модификация двунаправленного алгоритма Витерби с вероятностным решением для декодирования Турбо кодов / В. В. Топалов // Зб. наук. праць ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2007. - № 2. - С. 74 - 78. (0,18 д. а.).

4. Topalov V.V. Performance of One-Way Transmission System Using Multiposition Time Duration Signals / V. N. Zaharchenko, I. A. Kireev, V.V. Topalov and A. I. Lipchanskii // Telecommunications and Radio Engineering. - 1998. - № 52. - P. 86 - 90. (Особистий внесок - статистичне оброблення даних та аналіз - 0,063 д. а.)

5. Topalov V.V. Error Grouping Effect in Binary Digital Signal Constructions / V. N. Zaharchenko, V. V. Topalov, A. P. Uleev and A. I. Lipchanskii // Telecommunications and Radio Engineering. - 1998. - № 52. - P. 91 - 96. (Особистий внесок - статистичне оброблення та висновки - 0,078 д. а.)

6. Топалов В.В. Эффективность использования МВС в односторонних системах передачи / В.Н. Захарченко, И.А. Киреев, В.В. Топалов, А.И. Липчанський // Радиотехника : сб. науч. трудов. - М: ХИРЕ. - 1998. - № 108. - С. 183 - 189. (Особистий внесок - виконана практична реалізація та вимірювання - 0,094 д. а.)

7. Топалов В.В. Группирование ошибок на интервале сигнальной конструкции разрядно-цифрового кода / В.Н. Захарченко, В.В. Топалов, А.П. Улеев, А.И. Липчанський // Радиотехника : сб. науч. трудов. - М: ХИРЕ. - 1998. - № 108. - С. 199 - 205. (Особистий внесок - виконана практична реалізація - 0,094 д. а.)

8. Топалов В.В. Эффективность неравномерного кодирования в реальных каналах низовых звеньев АСУ при использовании МВС / В.Н. Захарченко, В.В. Топалов, А.А. Гринь, М.Г. Боридько // Радиотехника : сб. науч. трудов. - М: ХИРЕ. - 1999. - № 111. - С. 146 - 150. (Особистий внесок - виконана практична реалізація, статистичне оброблення даних - 0,063 д. а.)

9. Топалов В.В. Вероятность ошибочного приема сигнальной конструкции избыточного МВК при i-кратном повторении / Н.В. Захарченко, В.В. Топалов, А.П. Улеев, А.А. Гринь // Радиотехника : сб. науч. трудов. - М: ХИРЕ. - 1999. - № 112. - С. 37 - 41. (Особистий внесок - виконане статистичне оброблення та висновки - 0,083 д. а.)

10. Топалов В.В. Эффективность применения широтно-импульсной модуляции при передаче дискретной информации / С.М. Горохов, В.Н. Захарченко, В.В. Топалов // Зб. наук. праць УДАЗ ім. О.С. Попова. - 1999. - № 1. - С. 107 - 111. (Особистий внесок - вимірювання та аналітична оброблення одержаних даних - 0,094 д. а.)

11. Топалов В.В. Односторонние системы передачи на базе избыточных МВК / В.Н. Захарченко, В.В. Топалов, А.И. Липчанський // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1999. -

№ 35. - C. 79 - 84. (Особистий внесок - статистичне оброблення даних - 0,094 д. а.)

12. Топалов В.В. Эффективность применения многопозиционных временных кодов в односторонних системах передачи / В.Н. Захарченко, В.В. Топалов, М.Г. Боридько, О.О. Гринь // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1999. - № 51. - С. 99 - 104. (Особистий внесок - практична реалізація та вимірювання - 0,094 д. а.)

13. Топалов В.В. Модификация перемежителя с кодовым соответствием / Н.В. Захарченко, В.Г. Кононович, В.В. Топалов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Харьков, 2008. - № 35. - С. 26 - 30. (Особистий внесок - запропонована модифікація перемежувача та програмна реалізація - 0,07 д. а.)

Друковані праці наукових конференцій, тези доповідей

14. Топалов В.В. Синтез сигнальных конструкций на основе многопозиционных временных сигналов и Турбо кодов / В.В. Топалов // Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій: міжнар. наук.-практ. конф., 13-15 квітня 2006 р. : тези доп. - Запоріжжя, 2006. - C. 107 - 108. (0,09 д. а.).

15. Топалов В.В. Оцінка сумісного використання турбокодів та таймерних сигналів / В.В. Топалов // 64-а наук.-техн. конф. професорсько-викладацького складу, науковців, аспірантів та студентів, 1-4 грудня 2009 р. : тези доп. - Одеса, 2009. - С. 86 - 89. (0,12 д. а.).