WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

В рамках линейной теории передачи информации процедуру модуляции шумоподобной несущей можно представить следующим образом. Пусть имеется линейная система с переменными параметрами, передаточной функцией которой управляет модулирующее колебание (рис. 2). Отрезок этого колебания длительностью TS и числом степеней свободы 2FSTS устанавливает на время TS свою передаточную функцию для несущего колебания. Несущее колебание представляет собой периодически повторяемое шумоподобное колебание.

Единственным ограничением, накладываемым на это колебание, является выполнение неравенства FT FSTS. За время TS через систему пройдет несколько периодов несущего колебания. Благодаря этому на приеме можно организовать синхронное накопление. Следующий отрезок такой же длительности установит свою передаточную функцию на время TS и т.д.

Очевидно, что сигнал x(t) в канале является сверткой y(t) и s(t), матричная форма записи которой соответствует уравнению, приведенному на рис. 2.

Рис. 2. Иллюстрация принципа линейно-параметрической модуляции

Выберем в качестве несущего колебания периодический сигнал y(t) с периодом T и числом степеней свободы 2FT, где для всех i должно выполнятся условие

. (3)

Для реализации рассматриваемого принципа модуляции подадим на вход системы несущее колебание y(t), а импульсную характеристику s(t) зададим таким образом, чтобы она в отсчетных точках на оси времени воспроизводила отсчетные значения сигнала s(i)(t), когда передается i-е сообщение. Тогда сигнал на выходе модулятора можно выразить в следующем виде

, (4)

Квадратная матрица [у] n-го порядка и все строки ее получаются из первой путем циклических перестановок. Первая строка матрицы [y] может быть произвольным набором чисел. Соответственно, и сигнал y(t) может иметь произвольную форму. Это позволяет при передаче любых сигналов выбирать независимое несущее колебание таким образом, чтобы оптимизировать систему по какому-либо критерию. Модем, у которого импульсная характеристика демодулятора и несущее колебание выбраны из условия минимизации среднеквадратичного отклонения сигнала на выходе от модулирующего колебания s(t), назовем адаптированным к помехам в канале. У адаптированного модема характеристика демодулятора определяется выражением

, (5)

где К0 – постоянное число; N – энергетический спектр помех в канале; Nm – постоянное число, превышающее пиковое значение N; – произвольный фазовый спектр. Несущее колебание связано с импульсной характеристикой демодулятора матричным соотношением

[y] = [g] -1, (6)

где матрица [g] построена из отсчетных значений импульсной характеристики демодулятора на интервале Т путем циклических перестановок.

Алгоритм работы демодулятора линейного модема имеет вид:

(7)

где – сканирующая функция, обладающая следующими свойствами:

(8)

Исследование помехоустойчивости линейного модема показывает, что он обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/помеха, равный

. (9)

Видим, что при заданной мощности сигнала s(t) выигрыш зависит не только от структуры помех, но и от структуры сигнала. Следовательно, меняя структуру передаваемого сигнала при заданной мощности, можно увеличивать или уменьшать выигрыш. Максимальный выигрыш, которого можно достичь при использовании в данном канале линейного модема

. (10)

В зависимости от структуры энергетического спектра помех в канале это выражение всегда больше единицы. Максимальный выигрыш тем больше, чем более неравномерен энергетический спектр помех в канале. Это обстоятельство наиболее ценно для применения на железнодорожном транспорте, для которого характерен резко неравномерный энергетический спектр электромагнитных помех. Наряду с наилучшим сигналом, обеспечивающим максимальный выигрыш, может быть и наихудший сигнал, при котором выигрыш минимален. Влияние структуры передаваемых сигналов на выигрыш можно оценить коэффициентом диапазона изменения выигрыша

. (11)

Чем он больше для данного канала, тем более оправдано стремление к адаптации сигнала к помехе. Величина этого диапазона характеризует возможные потери выигрыша при работе с произвольными передаваемыми сигналами.

Расчеты выигрыша для 14-ти известных законов распределения плотности вероятностей неравномерности энергетического спектра помех показывают, что максимальный выигрыш можно получить, когда закон распределения энергетического спектра помехи является равномерным, а это как раз и характеризует максимальную степень неравномерности распределения помехи по спектру.

В третьей главе предложен новый метод расчета шумоподобного сигнала-переносчика (несущего колебания). Известно, что вычисления по формуле (6) обратной матрицы высокого порядка (100 и более) затруднены, а часто и невозможны из-за вычислительной неустойчивости. Видимо, это связано с необходимостью деления элементов прямой матрицы на определитель, который часто близок к нулю. Для преодоления трудностей, связанных с вычислением обратных матриц высокого порядка, предложен и обоснован устойчивый способ расчета, реализуемый путем перевода сигналов на ось частот. Основные расчетные выражения для нахождения ортогональных составляющих спектральных функций адаптированного к помехам несущего колебания и импульсной характеристики фильтра-демодулятора имеют вид:

; (12). (13)

Пересчет выборок с оси частот на выборки на оси времени и наоборот проводится по следующим формулам:

, (14)

(15)

при дополнительных ограничениях: и.

Результаты моделирования при различных видах энергетического спектра помех, показывают, что процедура адаптации несущего колебания к помехам устойчива и инвариантна к распределению помех. На рис. 3 приведены результаты расчетов для реальной ситуации вблизи 2-х базовых станций сотовой связи стандарта GSM.

Рис. 3. Результаты расчета несущего колебания для реального

энергетического спектра помехи

В четвертой главе исследуется алгоритм весового накопления полезного сигнала, который позволяет получить дополнительный выигрыш помехоустойчивости в линейном модеме, как при существенно нестационарном уровне помех в канале, так и при кратковременных пропаданиях сигнала. Это обусловлено тем, что полезный сигнал при каждом цикле накопления один и тот же, а помеха – разная. Поэтому уровень полезного сигнала растет быстрее, чем уровень помехи, и отношение сигнал/помеха возрастает с увеличением циклов накопления. При весовом накоплении с весами

где Ri – коэффициент корреляции

выигрыш от весового накопления определим как отношение отношений сигнал/помеха на выходе при весовом накоплении и при простом накоплении

(16)

Заслуживает особого внимания ситуация, когда распределение мощности помех происходит случайным образом. На рис. 4 приведены результаты моделирования для отношения помеха/сигнал от 0,2 до 5,5. Как видно, выигрыш в этом случае значительный – порядка 40.

Рис. 4. Моделирование весового накопления.

Преимущество весового накопления перед простым накоплением также хорошо видно из временных диаграмм рис. 5, 6, где приведены результаты моделирования для конкретного сигнала – ограниченной синусоиды.

Рис. 5. Простое накопление при случайном характере

изменения мощности помехи

Рис. 6. Весовое накопление при случайном характере

изменения мощности помехи

В пятой главе рассмотрены варианты практической реализации результатов исследований.

Помехоустойчивая система пакетной передачи аналоговой или цифровой информации (Рис. 7). Благодаря применению линейного модема, система обладает высокой скоростью передачи информации, равной пропускной способности канала. Выигрыш отношения сигнал/помеха равен коэффициенту расширения полосы частот при модуляции. Здесь отсутствует пороговый эффект, поэтому при малых сигналах система превосходит по помехоустойчивости системы с частотной модуляцией и может работать на уровне шумов в «занятых» частотных диапазонах передачи информации.

Рис. 7. Блок-схема системы пакетной передачи сообщений

Формирование канальных сигналов на выходе линейно-параметрического модулятора. Если передача информации ведется в области высоких частот и занимает ограниченную полосу, то для точного воспроизведения сигнала требуется вместе с отсчетами модулированного сигнала по каналу передавать информацию и о его преобразовании Гильберта, что снижает скорость передачи информации вдвое. Предложены способ и устройство формирования сигнала, не требующие передачи преобразования Гильберта (рис. 8).

Рис. 8. Блок формирования канальных сигналов

Повышение точности восстановления в системах, использующих накопление сигнала. Если количество накоплений n кратно целой степени двойки, то можно повысить точность восстановления сигнала путем введения в схему приемного устройства сумматора и генератора ступенчатого напряжения ГСН. Вариант практической реализации дополнительного устройства показан на рис. 10.

Рис. 10. Вариант практической реализации дополнительного устройства

Добавление простого устройства позволяет уменьшить объем оборудования ориентировочно на 40 %, сохранив при этом качество накопленного сигнала, что особенно ценно для мобильной аппаратуры.

Бортовая сеть связи подвижного состава (БССПС). Система (рис. 11) содержит: контроллер базовых станций (КБС) в штабном вагоне; базовые станции (БС) на локомотивах и в каждом вагоне; мобильные и стационарные терминалы (Т) в виде микротелефонных комплектов у каждого работника поездной бригады, приемопередатчиков систем видеонаблюдения, приемопередатчиков систем телеконтроля, телеметрии и телеуправления; пульт управления начальника поезда (ПНП).

Основу системы составляет сквозной универсальный помехозащищенный радиоканал, состоящий из цепочки (конвейера) базовых станций, работающих под управлением контроллера базовых станций. Основные элементы радиоканала испытаны в лабораторных условиях.

Рис. 11. Вариант реализации беспроводной БССПС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертационная работа представляет собой научное исследование, направленное на достижение актуальной цели – повышение помехоустойчивости каналов передачи информации СЖАТ. Достижение цели обеспечивается решением поставленных задач, при выполнении которых получены следующие результаты:

1. Предложен метод мультипараметрической модуляции шумоподобного сигнала-переносчика путем его математической свертки с фрагментом (пакетом) передаваемого сообщения. Высокая помехоустойчивость алгоритма достигается:

- во-первых, за счет того, что передаваемое сообщение отображается не на один параметр сигнала-переносчика, как в известных видах амплитудной или угловой модуляции, а на все его параметры (отсчетные значения). При этом в каждом отсчетном значении сигнала в канале содержится информация обо всем фрагменте передаваемого сообщения;

- во-вторых, шумоподобный сигнал в канале может быть адаптирован к энергетическому спектру помех таким образом, чтобы при его демодуляции достигалось максимально возможное отношение сигнал/помеха;

- в-третьих, метод позволяет реализовать весовое накопление полезного сигнала, устойчивое к аномально большим выбросам помех или кратковременным пропаданиям сигнала.

2. Показано, что предложенный метод обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/помеха. Выигрыш тем больше, чем более сложные сигналы используются для передачи и чем более неравномерен энергетический спектр помех в канале, что особенно характерно для железнодорожного транспорта.

3. Предложен и проверен на примерах алгоритм расчета адаптированного к помехам шумоподобного сигнала-переносчика, основанный на переводе сигналов с оси времени на ось частот. Это позволяет избежать вычислительных трудностей прямого расчета, связанных с известным эффектом неустойчивости алгоритма вычисления обратных матриц высокого порядка.

4. Предложены уточненные формулы для взаимного пересчета сигналов с оси времени на ось частот и обратно.

5. Предложен метод весового накопления сигнала по критерию коэффициента корреляции. Математическим моделированием показана его эффективность.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Волынская А.В. Повышение надежности и помехоустойчивости информационных устройств систем железнодорожной автоматики и телемеханики // Транспорт Урала. – № 1. – 2008. ­­­- С. 45-48. – входит в перечень изданий ВАК.

2. Волынская А.В. Формирование канальных сигналов линейного модема для систем железнодорожной автоматики и телемеханики // Транспорт Урала. – № 2. – 2008. – С. 22-25. – входит в перечень изданий ВАК.

3. Волынская А.В., Сергеев Б.С. Моделирование метода весового накопления сигнала для сетей передачи информации транспорта // Электроника и электрооборудование транспорта. – М. – 2008. – № 3. – С. 2-6.

4. Волынская А.В. Внутрипоездная беспроводная мобильная связь / Вестник инженеров электромехаников железнодорожного транспорта. – Вып. 1. – Самара: СамГАПС, 2003. – C. 278-280.

5. Волынская А.В. Метод повышения энергетической и структурной скрытности радиоканалов / СвязьПром-2004. – Мат. Международной научно-практической конф. – Екатеринбург, 2004. – С. 417-422.

6. Волынская А.В., Волынский Д.Н. Бортовая сеть связи подвижного состава. – Патент РФ № 2206177.

7. Волынская А.В., Власов Д.А. Повышение информационной безопасности транспортной связи за счет нового вида модуляции широкополосных сигналов / Мат. докладов Урало-Сибирской научно-практической конф. – Екатеринбург, 2003 – С. 423-424.

8. Волынская А.В., Власов Д.А. Повышение энергетической и структурной скрытности радиосигналов при модуляции // Безопасность информационного пространства / Мат. научно-технической конф. – Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2003 – С. 69-70.

9. Волынская А.В., Волынский Д.Н., Власов Д.А., Власов А.С. Результаты лабораторных испытаний элементов бортовой сети связи поезда нового поколения / СвязьПром-2004. – Материалы Международной научно-практической конференции. – Екатеринбург, 2004. – С. 625-631.

Волынская Анна Владимировна

Разработка помехоустойчивых методов передачи информации

в системах железнодорожной автоматики и телемеханики

05.22.08 – Управление процессами перевозок

Подписано в печать 2008 г.

Формат 6990 1/16.

Объем 1,37 п.л.

Заказ

Тираж 100 экз.

Типография УрГУПС МПС РФ, 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

Pages:     | 1 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»