авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Методы вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов на основе технологии нестационарного спектрального анализа процессов информационного обмена

1

На правах рукописи

Зевиг Владимир Георгиевич МЕТОДЫ ВТОРИЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КАНАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ НЕСТАЦИОНАРНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА – 2009 12

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре “Телекоммуникационные системы”

Научный консультант: канд. техн. наук, доцент Научный консульт Кузнецов Игорь Васильевич

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф.

Тяжев Анатолий Иванович канд. техн. наук, доцент Тимофеев Александр Леонидович

Ведущая организация: ФГУП «Самарский отраслевой научно исследовательский институт радио»

Защита диссертации состоится 3 июля 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.07 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К.Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан “ 2 ” июня 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф. С.С. Валеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений современного развития телекоммуникационных систем и сетей (ТС) является совершенство вание методов и алгоритмов обработки сигналов, позволяющих повысить про пускную способность ТС. В настоящее время ведется развитие альтернативных методов, дополнительно увеличивающих пропускную способность ТС за счет уменьшения избыточности передаваемых сигналов. Одним из таких направле ний является вторичное использование каналов ТС, идея которого не нова и реализована в таких системах как ТВ-информ, NICAM-728, Teletext. Анализ данной области показал, что основные исследования и разработки по вторич ному использованию каналов проводились в 70 – 80 – е годы и ориентированы на аналоговые системы передачи, что ограничивает их применение в современ ных ТС. Существенным недостатком подобных систем является их узкая на правленность на реализацию в конкретном стандарте вещания.

Наиболее современными и совершенными, с точки зрения увеличения пропускной способности ТС, являются методы вторичного уплотнения сигна лов ТС, разработанные на кафедре телекоммуникационных систем УГАТУ под руководством д.т.н., профессора Султанова А.Х. Данные методы позволяют ор ганизовать передачу дополнительных сообщений небольшого объема, по суще ствующим каналам ТС, без нарушения их нормального функционирования. Ос новная идея методов заключается в наложении друг на друга эргодических, не ортогональных в гильбертовом пространстве сигналов основного и вторичного каналов с пересекающимися частотно – временными характеристиками, при условии ограничения их взаимного шумового влияния.

Основными недостатками данного метода является то, что в нем не учи тывается ряд особенностей функционирования современных систем связи:

1) нестационарность уплотняемых сигналов;

2) нестационарность трактов передачи, обусловленная изменением парамет ров звеньев уплотняемой ТС в ходе эксплуатации, а также возникновение пере ходных процессов при вторичном уплотнении;

3) критичность к задержкам в процессе передачи сообщений;

4) переход к цифровым системам передачи информации.

Следовательно, актуальной является задача разработки методов вторичного уп лотнения с учетом нестационарности процессов, протекающих в ТС, позво ляющих увеличить скорость передачи вторичных сообщений, сократить вре менные задержки в основном и вторичном канале, а также обеспечить вторич ное уплотнение ТС с учетом новых (в том числе цифровых) технологий связи.

Объект исследования. Цифровые телекоммуникационные системы и се ти передачи мультимедийной информации.

Предмет исследования. Методы вторичного уплотнения телекоммуни кационных каналов в классе нестационарных систем.

Цель работы. Развитие методов вторичного уплотнения телекоммуника ционных каналов в классе нестационарных систем, позволяющих увеличить пропускную способность ТС, а также сократить временные задержки в процес се информационного обмена и обеспечить инвариантность по отношению к ти пу уплотняемой ТС.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка модели вторичного уплотнения телекоммуникационных кана лов, учитывающей нестационарный характер процессов информационного об мена в ТС.

2. Разработка аналитического метода синтеза спектральных характеристик вторичного сигнала для класса нестационарных гауссовских процессов, обеспе чивающего наилучшее выделение сигнала вторичного канала, при ограничении искажения сигнала основного канала.

3. Разработка параметрического метода синтеза нестационарных спектраль ных характеристик вторичного сигнала, позволяющего производить поиск па раметров вторичного сигнала в заданном функциональном классе.

4. Разработка алгоритмов приема сигналов нестационарного вторичного ка нала в условиях частичной априорной неопределенности и малого соотношения сигнал/шум.



5. Разработка алгоритмического и программного комплекса моделирования вторичного уплотнения цифровых каналов передачи мультимедийных сигналов без сжатия и со сжатием по стандарту MPEG-2.

Методы исследований. В работе использованы основные положения теории электрической связи и теории автоматического управления, теории про ектирования нестационарных оптимальных линейных систем, обнаружения и фильтрации сигналов, а также теории матричной алгебры, применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель вторичного уплотнения каналов ТС на основе технологии не стационарного спектрального анализа Солодовникова В.В.

2. Оптимизационный метод нестационарного вторичного уплотнения те лекоммуникационных каналов.

3. Параметрический метод нестационарного вторичного уплотнения теле коммуникационных каналов.

4. Алгоритмы приема сообщений нестационарного вторичного канала в условиях частичной априорной неопределенности.

5. Результаты имитационного моделирования, на основе разработанного программного комплекса, показавшие возможность использования предложен ных методов вторичного уплотнения сигналов для повышения пропускной спо собности цифровых систем передачи мультимедийной информации.

Научная новизна работы:

1. Разработана модифицированная модель вторичного уплотнения теле коммуникационных каналов, основанная на технологии нестационарного спек трального анализа процессов информационного обмена, которая в отличие от известных моделей, позволяет более качественно описывать процессы в кана лах ТС, сократить временные задержки и расширить применимость метода вто ричного уплотнения на современные (в том числе цифровые) ТС.

2. Разработан оптимизационный метод вторичного уплотнения каналов, который в отличие от известных методов, учитывает нестационарность процес сов информационного обмена в ТС, позволяющий получить оптимальный вид спектральных характеристики вторичного сигнала.

3. Разработан метод параметрического синтеза нестационарной спек тральной характеристики сигнала вторичного канала, который в отличие от из вестных методов, учитывает нестационарность сигналов и трактов ТС, позво ляющий определять параметры вторичного сигнала в удобном классе функцио нальных характеристик и упростить его реализацию.

4. Предложены алгоритмы выделения сигналов нестационарного вторич ного канала в условиях частичной априорной неопределенности, которые в от личие от известных алгоритмов, позволяют определять оценки неизвестных спектральных характеристик сигналов основного и вторичного каналов на при емной стороне без передачи параметров сигналов по основным каналам, что дополнительно увеличивает пропускную способность уплотняемой ТС.

Обоснованность и достоверность результатов диссертации. Обосно ванность результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных научных концепций и методов исследования, согласовании результатов с известными теоретическими положениями. Досто верность полученных теоретических положений и выводов подтверждается ре зультатами имитационного моделирования, апробации и внедрения предложен ных методик и алгоритмов.

Практическая ценность. Практическая значимость полученных резуль татов заключается в повышении пропускной способности цифровых ТС, а так же сокращении временных задержек в процессе информационного обмена. Как показало имитационное моделирование, разработанные методы и алгоритмы позволяют увеличить пропускную способность ТС до 20% и уменьшить вре менную задержку в процессе информационного обмена более чем в 103 раз от носительно известного метода вторичного уплотнения.





Основные результаты диссертационной работы внедрены на участке сети цифрового кабельного телевидения компании ОАО «Уфанет» для организации служебных каналов аутентификации абонентов и в учебном процессе в Уфим ском государственном авиационном техническом университете при проведении лабораторных и расчетно-графических работ по дисциплине «Основы построе ния телекоммуникационных систем и сетей».

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на 8–й и 9–й Международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Уфа, Самара, 2007, 2008;

4–й Всероссийской школе семинаре аспирантов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки и техники», Уфа, 2009, а также на семинарах ка федры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 8 публи кациях, в том числе в 2 научных статьях в периодических изданиях из списка ВАК, в 6 материалах международных и российских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, приложения и библиографического списка и изложена на 161 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 72 наименования литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулиро вана цель работы и решаемые в ней задачи, научная новизна и практическая ценность выносимых на защиту результатов.

В первой главе выполнен анализ существующих методов сигнального и информационного уплотнения. Рассмотрена известная модель вторичного уп лотнения каналов, основанная на непрерывном Фурье-преобразовании. Показа но, что существенным недостатком известного метода вторичного уплотнения является то, что в нем не учитывается ряд особенностей современных ТС:

1) нестационарность уплотняемых сигналов;

2) нестационарность трактов передачи;

3) критичность к задержкам в процессе передачи сообщений;

4) использование цифровых технологий связи.

Для устранения выявленных недостатков, предложен метод на основе пе рехода к анализу коротких интервалов основного сигнала, на которых он носит нестационарный характер, с использованием математического аппарата анализа нестационарных систем. Рассмотрены методы анализа нестационарных сигна лов и систем, такие как оконное преобразование Фурье, вейвлет преобразование и метод спектрального анализа Солодовникова В.В. В резуль тате, как наиболее удобный для реализации на ЭВМ и полностью отвечающий требованиям анализа как нестационарных сигналов, так и нестационарных сис тем, для решения задач синтеза нестационарного вторичного канала был вы бран спектральный метод Солодовникова В.В., основная идея которого заклю чается в разложении нестационарных сигналов по нестационарному ортонор мированному базису, определенному в общем случае на нестационарном отрез ке. При этом характеристики сигналов и звеньев представляются в виде матриц, а преобразование сигналов выполняется на основе операций над этими матри цами. Примерами нестационарных ортонормированных базисов могут служить ортонормированные нестационарные полиномы Лежандра P(t, ) и нестацио нарные тригонометрические функции Ci, определяемые по формулам:

k 2i + 1 i, (i = 0,1,...n), (0 t ), (1) t Pi ( t, ) = l ik k t k i 1 ), С0 = Ci = ( i = 1, 2,...),, cos( t t t где lik = (1)i k Cii+ k Cii k, n - количество базисных функций.

Основными характеристиками нестационарных сигналов и звеньев, ис пользуемыми в спектральном методе Солодовникова В.В. являются: нестацио нарная спектральная характеристика (НСХ) сигналов и двумерная нестацио нарная передаточная функции (ДНПФ) звена, определяемые по формулам:

t (2) (i, t, ) x ( )d, X (i, t ) = * t T (t ) t t d ( h, t, ) (i, t, ) k (, )d, W (i, h, t, t ) = * t T (t ) t T (t ) где x( ) - анализируемая функция времени, k (, ) - импульсная переходная функция звена, * (h, t, ) - комплексно-сопряженная базисная функция.

Выполнено сравнение эффективности анализа дискретных нестационар ных сигналов (звуковой сигнал малой длительности, сигнал изображения малой длительности и синтезированный нестационарный сигнал) с помощью разло жения в усеченный ряд Фурье и спектрального анализа Солодовникова В.В.

При этом в качестве критерия эффективности использовалась оценка СКО сиг нала после его прямого и обратного преобразования на интервале, содержащем N отсчетов:

N N N (s(kTд ) ~Л (kTд ))2, (s(kT ) ~ (kT )) (s(kTд ) ~Ф (kTд ))2, Л ( N) = Т (N) =, Ф ( N) = s s s д Т д k =0 k = k = где Ф (T ), Л (T ), Т (T ) - СКО сигналов при разложении в усеченный ряд Фурье, по нестационарным полиномам Лежандра и тригонометрическим функциям, соответственно;

s(kTд ) - исходный сигнал;

~Ф (kTд ) - восстановленный сигнал;

T Д s - интервал дискретизации;

N - количество отсчетов сигнала на текущем интер вале. Результаты для N, варьируемого в пределах от 1 до 100 отсчетов, пред ставлены на рис.1. Видно, что на интервалах до 33 отсчетов анализ нестацио нарных сигналов с помощью спектрального метода Солодовникова В.В. дает меньшую ошибку относительно разложения в ряд Фурье, что говорит о пред почтительности его использования для анализа на данных интервалах.

Рисунок 1 – Зависимости Ф ( N), Л ( N ), Т ( N ) для синтезированного, звукового и цветоразностного сигналов На рис. 2 представлена разработанная модель нестационарного вторично го уплотнения каналов, позволяющая преодолеть вышеуказанные недостатки.

~ ( ) ~ ( ) ПС пер x( + T1 ) ИС x x z ( ) x( ) Линия вичного Типовая k1 (, ) первич. + задержки канала СП канала xд ( ) ~ ( ) x Блок уст X (0, t ) X д (0, t ) ~ Синтез ранения Вычисление X (i, t ) Вычисление временной априорной Блок выделе X (1, t ) желаемой X д (1, t ) НСХ реализации неопреде ния и приема ~ о НСХ сигнала вторичных X д (i, t ) ленности сигнала сигнала основного вторичного сигналов X (n, t ) вторичного X д (n, t ) канала канала канала ~ ( ) xд ПС вторичного ИС вторичного канала канала Рисунок 2 – Разработанная модель нестационарного вторичного уплотнения каналов ТС Во второй главе ставится и решается оптимизационная задача нестацио нарного вторичного уплотнения каналов ТС в виде решения двух подзадач:

синтеза и выделения сигнала вторичного канала. Модель нестационарного вто ричного уплотнения для первой подзадачи приведена на рис. 3.

xд ( ) x ( ) z ( ) k(, ) ~ ( ) x ( ) x e1 ( ) + e2 ( ) xд ( ) Рисунок 3 – Модель нестационарного вторичного уплотнения для оптимизационного метода На рис. 3 x( ) - нестационарный гауссовский сигнал основного канала с известной НСХ X ( i, t ) ;

xд ( ) - нестационарный гауссовский сигнал вторично го канала, НСХ X д ( i, t ) которого подлежит определению;

~ ( ) - сигнал оценки x основного канала;

z ( ) - групповой сигнал;

e1 ( ) - ошибка воспроизведения ос новного сигнала;

e2 ( ) - сигнал на выходе второго элемента сравнения.

Сумма сигналов z ( ) = x( ) + x д ( ) поступает на вход нестационарного взвешивающего фильтра с известной импульсной передаточной функцией k (, ). Взвешивающий фильтр должен быть физически реализуемым и асим птотически устойчивым и определяет допустимую меру потери информации при воспроизведении основного сигнала. Вторичный сигнал xд ( ) вносит ис кажения в основной сигнал x( ), т.е. выступает в качестве помехи. Для ограни чения искажения основного сигнала необходимо обеспечить выполнение функ ционального равенства вида:

t e ( )d = c(t ), (3) J1 (e1, t ) = t T ( t ) где e1 ( ) = ~ ( ) x( ) - ошибка воспроизведения основного сигнала, c(t ) - функ x ция времени, ограниченная сверху значением sup(с(t )) с. С другой стороны, x( ) также искажает вторичный сигнал x д ( ). Для обеспечения выделения вто ричного сигнала на приемной стороне, необходимо обеспечить минимум функ ционала вида:

t e ( )d,, (4) J 2 (e2, t ) = t T ( t ) где e2 ( ) = ~( ) x д ( ) - сигнал на выходе второго элемента сравнения. Таким об x разом, задача формулируется следующим образом: необходимо определить НСХ сигнала вторичного канала X д (i, t ), исходя из условия ограничения дис персии ошибки воспроизведения сигнала основного канала и минимизации дисперсии сигнала с выхода второго элемента сравнения. Для решения задачи необходимо найти минимум функционала:

n J (t, ) = J 1 (t ) + (t ) J 2 (t ) = ( E1 (i, t ) E *1 (i, t ) + (t ) E 2 (i, t ) E * 2 (i, t ), (5) i = где E1 (i, t ) - НСХ сигнала первого элемента сравнения;

E 2 (i, t ) - НСХ сигнала второго элемента сравнения;

E *1 (i, t ), E * 2 (i, t ) - комплексно-сопряженные НСХ;

(t ) - множитель Лагранжа.

Искомые значения НСХ вторичного сигнала X д ( i, t ) являются результа том решения системы n линейных уравнений методом Гаусса.

AX д = B, (6) (1 + )[W (i,0)W * (i,0)] (W * (0,0) + W (0,0) 1)... (1 + )[W (i, n)W * (i,0)] (W * (n,0) + W (0, n)) i i A(, h) =,.........

(1 + )[W (i,0)W (i, n)] (W (0, n) + W (n,0))... (1 + )[W (i, n)W (i, n)] (W (n, n) + W (n, n) 1) * * * * i i (1 + ) X (i )[W ( h, i )W * ( h,0 )] + X ( h )[W * ( h,0 ) + W ( 0, h )] h i h B ( ) =.

...

(1 + ) X (i )[W ( h, i )W ( h, N )] + X ( h )[W ( h, N ) + W ( N, h )] * * h i h На основе оптимизационного метода синтеза вторичного сигнала разра ботана модель нестационарного вторичного уплотнения, представленная на рис. 4.

x( + T1 ) Линия за- ПС первич x( ) z ( ) ИС k1 (, ) ного канала + первич. держки xд ( ) канала X (0, t ) t X д (0, t ) d Вычисление t T ( t ) k 2 (, ) желаемой (0, t, ) * (0, t, ) НСХ X (1, t ) t X д (1, t ) d сигнала ~ ( ) + xд вторичного t T ( t ) канала (1, t, ) * (1, t, ) методом Гаусса t X (n, t ) X д ( n, t ) ПС вторич d ного канала t T ( t ) (n, t, ) * (n, t, ) ИС вторичного канала Рисунок 4 – Модель нестационарного вторичного уплотнения Решается подзадача выделения вторичного сигнала. Оптимизационный синтез ДНПФ фильтра выделения сигнала нестационарного вторичного канала является классической задачей оптимальной фильтрации представленной в тер минах спектральной теории Солодовникова В.В. Модель нестационарного вто ричного канала представлена на рис. 5.

k (, ) x д ( ) ~ ( ) xд ск ( ) x ( ) z ( ) k2 (, ) k1(,) + x д ( ) Рисунок 5 – Модель нестационарного вторичного канала связи На рис. 5, k1 (, ) - импульсная передаточная функция взвешивающего фильтра;

k 2 (, ) - импульсная передаточная функция фильтра выделения сигна ла вторичного канала, подлежащая определению;

~д ( ) - сигнал оценки вторич x ного канала;

ск ( ) - ошибка оценивания вторичного сигнала.

Решение ищется на базе оптимизационного метода и заключается в опре делении ДНПФ W 2 (h, i, t, t ) фильтра выделения вторичного сигнала, обеспечи вающего минимум среднеквадратической ошибки ск ( ) оценивания вторичного сигнала в каждый момент времени t. Оптимизационная задача решается для совокупной ДНПФ вторичного канала W (t, t ), после чего определяется ДНПФ фильтра выделения W2 (t, t ) по формуле:

W (h, i, t, t ) = W2 (h,, t, t )W1 (, i, t, t ), (7) где W1 (, i, t, t ) - заданная ДНПФ взвешивающего фильтра;

W2 (h,, t, t ) - ДНПФ фильтра выделения вторичного сигнала;

W (h, i, t, t ) - ДНПФ вторичного канала.

Выражение для определения ДНПФ вторичного канала W (t, t ) имеет вид:

W (t, t) = S' X d X d (t, t)[S' X d X d (t, t) + S' XX (t, t) + E]1, (8) где S ' XX (h, i, t, t ) = X (h, t ) X (i, t ) - нестационарная спектральная плотность (НСП) ос новного сигнала x( ) ;

S ' X X (t, t ) - НСП вторичного сигнала x д ( ) ;

- множитель, d d необходимый для регуляризации задачи, связанной с плохой обращаемостью суммы матриц [ S ' X X (t, t ) + S ' XX (t, t )].

d d Априорная неопределенности относительно НСП основного и вторичного сигналов, возникающей на приемной стороне при синтезе ДНПФ фильтра вы деления, устраняется путем решения оптимизационной задачи вторичного уп лотнения для оценки основного сигнала ~( ). Данная идея реализована в блоке x устранения априорной неопределенности и приема, модель которого представ лена на рис. 6.

~ ~( ) t X (0, t ) X до (0, t ) x d Вычисление t T ( t ) Вычисление ДНПФ ожидаемой * (0, t, ) фильтра выде ~ t НСХ X до (1, t ) X (1, t ) ления сигнала d сигнала вторичного вторичного t T ( t ) канала канала * (1, t, ) ~ W2 = f (X до, X,W ) X д (i, t ) = i X о (n, t ) о ~ t X (n, t ) d д t T ( t ) * (n, t, ) ~ W2 (0,0) X д ( 0, t ) Фильтр выделения К ПС сигнала ~ W2 (1,0) X д (1, t ) Блок вторичного вторичного канала приема ~ канала ~ ~ X д (h, t ) = W2 (h, i) X (i) W2 (n, n) X д ( n, t ) i Рисунок 6 – Модель блока устранения априорной неопределенности и приема Для разработанного оптимизационного метода нестационарного вторич ного уплотнения приведены примеры расчета НСХ вторичного сигнала и ДНПФ фильтра выделения вторичного сигнала, а также выполнено численное моделирование со следующими исходными данными: сигнал основного канала – меандр, фильтр предыскажения – апериодическое звено первого порядка, ба зис - нестационарные тригонометрические функции, n = 21. Результаты пред ставлены на рис. 7.

Рисунок 7 – Результаты численного моделирования нестационарного вторичного уплотнения на основе оптимизационного метода Как следует из рис. 7, при приемлемом уровне искажения основного сиг нала, достигается выделение вторичного сигнала. При этом о наличии или от сутствии вторичного сигнала xд ( ) на текущем интервале можно однозначно судить по амплитуде его оценки ~д ( ).x В третьей главе ставится и решается задача нестационарного вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов параметрическими методами. Ре шение задачи предлагается в качестве альтернативы оптимизационному методу и позволяет упростить синтез вторичного сигнала и уменьшить априорную не определенность на приемной стороне за счет поиска параметров вторичного сигнала в удобном функциональном классе. Задача формулируется следующим образом: на вход фильтра предыскажения (рис.8), в общем случае нестационар ного, с известной импульсной переходной функции k (, ), 0 поступает групповой сигал z ( ) = x( ) + x ( ), являющийся результатом аддитивного «сме д шения» основного x( ) и вторичного x ( ) нестационарных гауссовских слу д чайных сигналов.

xд ( ) x ( ) ~ ( ) z ( ) x ( ) x k(, ) e( ) + Рисунок 8 – Модель нестационарного вторичного уплотнения для параметрического метода Необходимо определить НСХ вторичного сигнала исходя из следующих двух условий:

1. Обеспечение минимума взаимной корреляционной функции сигналов ошибки и оценки в основном канале на нестационарном отрезке = (0, t ) :

t K e~ (t ) = e1 ( ) ~ ( )d min. (9) x x 2. Ограничение дисперсии ошибки в канале воспроизведения сигнала основного канала:

t sup( 2 (t )) = e1 ( )e1 ( )d c, (10) где c - некоторая заданная константа.

Результирующая система уравнений имеет следующий вид:

X (i, t) 2W (i, h, t, t)(X (h, t) + X д (h, t)) = 0;

i ih (11) X 2 (i, t) W 2 (i, h, t, t){X 2 (h, t) + X д (h, t)} = c.

i h Поиск НСХ сигнала вторичного канала сводится к решению первого уравнения системы методом Гаусса с одновременным контролем выполнения второго равенства системы. Отмечается, что положительными качествами па раметрического метода является то, что поиск параметров вторичных сигналов ведется в известном функциональном классе, что упрощает их реализацию и снижает априорную неопределенность, а также уменьшение количества вычис лений. К недостатку следует отнести увеличение искажения сигнала основного канала из-за неоптимального сигнала вторичного канала.

Далее решается задача параметрического синтеза квазиортогонального узкополосного (фазоманипулированного) вторичного сигнала. Для фазомани пулированного вторичного сигнала, НСХ которого описывается уравнением:

i i t 2t [( 1) h sin( i t + ) sin ], при h = 1, 2,...;

(h 2 i t 2 ) (12) Fi ( h ) = it i t 2 cos, при h = hi =, система уравнений (11) примет вид:

t X (i, t ) 2W (i, h, t, t )( X (h, t ) + ) = 0;

h i (13) i h X 2 (i, t ) W 2 (i, h, t, t ){ X 2 (h, t ) + h h t } = c.

i h После определения n пар значений ( hi, i ), соответствующих возможным сочетаниям амплитуды и частоты вторичного фазоманипулированного сигнала, производится выбор пары с максимальным значением i, что соответствует наибольшей помехоустойчивости вторичного канала. Для разработанного ме тода предложена модель нестационарного вторичного уплотнения и приемника фазоманипулированных вторичных сигналов в условиях априорной неопреде ленности, представленные на рис. 9, 10, соответственно.

~ ( ) ПС пер x( + T1 ) x z ( ) x( ) ИС Линия k1 (, ) + первич. вич.

задержки канала канала xд ( ) t X (0, t ) d Вычисление Приемник искомых пар втор.

параметров сообщ-й i (0, t, ) * ( hi, i ). Оп t X (1, t ) d ределение cos(i + j ) пары с максималь- Фазовра * (1, t, ) Генератор ной ампли- щатель t hi hi 0 = 0;

X (n, t ) тудой d ) cos( argmax(hi, i ) t 1 =.

ПС * (n, t, ) вторич.

ИС вторич.

канала канала Рисунок 9 – Модель вторичного уплотнения на основе параметрического метода ~ ~ ( ) x t X (0, t ) d Вычисление искомых пар Генератор параметров опорного ~ * (0, t, ) ( hi, i ). Оп- hi ~ колебания t X (1, t ) ~ d h ределение cos( i ) пары с t максималь (1, t, ) * ной амплиту ~ дой t X ( n, t ) d Фазовращатель argmax(hi, i ) = * (n, t, ) t E 1 (t ) d РУ д К ПС ЛЗ E д (t ) E (t) E (t) "0";

0 0 t втор.

d д д канала E1 (t) Eд0 (t) "1".

д Рисунок 10 – Модель приемника фазоманипулированных вторичных сигналов Прием вторичных сигналов в данном случае производится по корреляли онной когерентной схеме с устранением априорной неопределенности относи тельно частоты несущего колебания вторичного сигнала. Для параметрического метода вторичного уплотнения также проведено численное моделирование. Ре зультаты представлены на рис.11.

Рисунок 11 – Результаты численного моделирования нестационарного вторичного уплотне ния на основе параметрического метода В четвертой главе на основе методов, предложенных во второй и треть ей главах, разработаны алгоритмы и проведены эксперименты (компьютерное моделирование) по вторичному уплотнению цифрового звукового сигнала формата WAV и цветоразностных компонент Cr, Cb видеоизображения без сжатия и со сжатием по стандарту MPEG-2. Исследованы зависимости значе ний вероятности ошибки при приеме вторичных сообщений p ош и СКО оценки ~ основного сигнала e1 от количества отсчетов N уплотняемого сигнала и значе ния множителя Лагранжа. Результаты приведены на рис. 12.

Рисунок 12 – Результаты исследования зависимостей e1 ( N ), ~1 ( ) и pош ( N ), pош ( ) ~ e Из рис. 12 следует, что величина искажения основного сигнала и помехо устойчивость вторичного канала связаны обратной зависимостью. Так увеличе ние мощности вторичного сигнала (путем изменения множителя Лагранжа в выражении (5)) ведет к снижению вероятности ошибки при приеме вторичного сообщения (при значениях множителя Лагранжа 0,45, p ош стремится к нулю), но увеличивает дисперсию ошибки воспроизведения основного сигнала при мерно на 35% (что является приемлемой величиной). Увеличение же количест ва отсчетов в интервалах наблюдения с 30 до 60 единиц приводит к снижению вероятности ошибки при приеме вторичного сигнала с 0,2 практически до нуля, однако уменьшает скорость передачи вторичных сообщений в 2 раза и в 4 раза увеличивает временные задержки на обработку сигналов.

В ходе моделирования производилась оценка пропускной способности синтезированных вторичных каналов:

- для цифрового звукового сигнала формата WAV скорость вторичного канала составила 1633 бит/с, при уровне искажения не воспринимаемом человеком;

- для цветоразностных компонент Cr, Cb цифрового видеоизображения разме ром 720 525 без сжатия скорость вторичного канала составила 1890000 бит/с (визуальную оценку степени искажений можно провести по изображениям, представленным на рис.13);

- для цифрового видеопотока главного уровня главного профиля стандарта MPEG-2 скорость вторичного канала составила 31104 бит/с для структуры GOP 15/3 и 66096 бит/с для структуры GOP 4/1;

- для цветоразностных компонент Cr, Cb цифрового видеоизображения разме ром 720 525 без сжатия на основе параметрического метода скорость вторич ного канала составила 252 кбит/с.

Рисунок 13 – Исходное и уплотненное изображение При этом вероятность ошибки при приеме вторичного сигнала не превышала значение 3 105, временная задержка в процессе передачи вторичного сигнала снизилась более чем в 103 раз по сравнению с вторичным уплотнением, основанным на непрерывном Фурье-преобразовании.

В заключении изложены основные научные результаты, полученные в диссертационной работе в ходе исследования.

В приложении представлен листинг и описание программного комплек са, использовавшегося в ходе моделирования нестационарного вторичного уп лотнения, а также акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Разработана модифицированная модель вторичного уплотнения теле коммуникационных каналов, основанная на технологии нестационарного спек трального анализа процессов информационного обмена, что позволяет более качественно описывать процессы в каналах ТС, сократить временные задержки и увеличить пропускную способность современных (в том числе цифровых) ТС.

2. Разработан оптимизационный метод нестационарного вторичного уп лотнения каналов, базирующийся на анализе нестационарных свойств сигналов и трактов ТС с помощью аппарата спектральной теории Солодовникова В.В., позволяющий получить оптимальный вид характеристики вторичного сигнала, обеспечивающий его наилучшее выделение при ограничении искажения основ ного сигнала. Метод позволяет повысить скорость передачи вторичных сооб щений в 7,8 раза и сократить временные задержки более чем в 103 раз.

3. Разработан метод параметрического синтеза нестационарной спек тральной характеристики сигнала вторичного канала, основанный на анализе нестационарных свойств сигналов и трактов ТС с помощью аппарата спек тральной теории Солодовникова В.В., позволяющий определять параметры вторичного сигнала в удобном классе функциональных характеристик. Метод позволяет упростить практическую реализацию вторичного уплотнения, а так же повысить пропускную способность вторичного канала на 40 %, сократить временную задержку более чем в 103 раз.

4. Предложены алгоритмы выделения сигналов нестационарного вторич ного канала в условиях частичной априорной неопределенности, на основе ал горитма корреляционного когерентного приема, позволяющие определять оцен ки неизвестных нестационарных спектральных характеристик сигналов основ ного и вторичного каналов на приемной стороне без передачи информации о параметрах сигналов по основным каналам.

5. Разработан программный комплекс имитационного моделирования нестационарного вторичного уплотнения цифровых систем передачи мультимедийной информации без сжатия, а также стандарта MPEG-2, базирующийся на предложенных методах и алгоритмах. Как показало имитационное моделирование, разработанные методы и алгоритмы позволяют увеличить пропускную способность ТС до 20% и уменьшить временную задержку в процессе информационного обмена более чем в 103 раз относительно известного метода вторичного уплотнения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

В рецензируемых журналах из списка ВАК 1. Критериальный синтез спектральных характеристик сигналов нестационарного вторичного канала связи / Зевиг В.Г., Кузнецов И.В., Султанов А.Х. // Вестник УГАТУ, 2009, Серия: машиностроение, энергетика, электроника и измерительная техника, радиосвязь и техника, том 12, №2 (31), с. 182-189. (Соискателем предло жен метод оптимального синтеза характеристик сигнала нестационарного вто ричного канала на основе аппарата спектральной теории Солодовникова В.В.) 2. Вторичное уплотнение нестационарных сигналов критериальными методами / Зевиг В.Г., Кузнецов И.В., Султанов А.Х. // Инфокоммуникационные техноло гии, 2009, Том 7, №2, с. 97-102 (Соискателем предложен метод оптимального синтеза и выделения сигнала нестационарного вторичного канала) В других изданиях 3. О развитии методов вторичного уплотнения сигналов для нестационарной телекоммуникационной системы / Кузнецов И.В., Зевиг В.Г. // Проблемы тех ники и технологии телекоммуникаций: Материалы 8-й международной научно технической конференции. – Уфа, 2007.– с. 67-70. (Соискателем предложена постановка задачи нестационарного вторичного уплотнения каналов ТС и её решение на основе метода переменных состояния) 4. Об особенностях синтеза характеристик сигналов нестационарного вторич ного канала ТС / Зевиг В.Г., Жданов Р.Р. // Проблемы техники и технологий те лекоммуникаций: Материалы Девятой Международной научно-технической конференции. – Казань, 2008. – с. 65-67. (Соискателем проведено сравнение методов анализа нестационарных сигналов и систем. В задаче нестационарно го вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов предложено ис пользовать спектральный метод Солодовникова В.В.) 5. Сравнение методов анализа сигналов в задаче синтеза нестационарного вто ричного канала ТС / Зевиг В.Г. // Проблемы техники и технологий телекомму никаций: Материалы Девятой Международной научно-технической конферен ции. – Казань, 2008. – с. 67-68. (Соискателем проведено сравнение анализа не стационарных сигналов на основе разложения в усеченный ряд Фурье и приме нения спектрального метода Солодовникова В.В.) 6. Критериальный синтез нестационарного вторичного канала ТС / Кузнецов И.В., Зевиг В.Г. // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций: Мате риалы Девятой Международной научно-технической конференции. – Казань, 2008. – с. 68-70. (Соискателем предложена оптимизационная задача неста ционарного вторичного уплотнения каналов ТС и её решение) 7. Анализ изображений спектральным методом Солодовникова В.В. / Кузнецов И.В., Зевиг В.Г., Жданов Р.Р. // Проблемы техники и технологий телекоммуни каций: Материалы Девятой Международной научно-технической конференции.

– Казань, 2008. – с. 70-72. (Рассмотрен вопрос анализа изображений на основе разложения по нестационарным ортонормированным функциям) 8. Параметрический синтез спектральных характеристик сигналов нестацио нарного вторичного канала связи / Зевиг В.Г. // Актуальные проблемы науки и техники: Сборник трудов 4-й всероссийской школы семинара аспирантов и мо лодых ученых с международным участием. – Уфа, 2009, Том 2, с. 151-155. (Со искателем предложен метод параметрического синтеза спектральных харак теристик сигнала нестационарного вторичного) Диссертант В.Г. Зевиг ЗЕВИГ Владимир Георгиевич МЕТОДЫ ВТОРИЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КАНАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ НЕСТАЦИОНАРНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 29.05. 09. Формат 6084 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Таймс.

Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1,0. Уч.-изд.л. 0,9.

Тираж 100 экз. Заказ № ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа-Центр, К.Маркса,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.