Процедура синтеза адаптивной высокоскоростной программно- конфигурируемой системы передачи данных на основе оценивания эквивалентного энергетического проигрыша, вызванного неравномерностью амплитудно-частотной характеристики радиотракта
Введение 12
1 Анализ основных технологий высокоскоростных систем передачи
информации различного назначения и дестабилизирующих факторов, возникающих в канале передачи данных систем 14
1.1 Сравнительный анализ сигнально-кодовых конструкций спутниковых,
радиорелейных и подвижных систем связи и перспективы развития частотных диапазонов 14
1.2 Анализ дестабилизирующих факторов, возникающих в канале связи, и
способов их компенсации 20
2 Концепция построения радиосистем по программно-конфигурируемому
принципу и их адаптация 27
2.1 Приёмная часть системы цифровой связи 27
2.1.1 Архитектуры построения приёмников цифровой связи 27
2.1.2 Оценка фазы несущей частоты 31
2.1.3 Петля тактовой синхронизации 36
2.2 Концепция построения радиосистем по программно-конфигурируемому принципу 40
2.2.1 Классификация SDR 44
2.2.2 Преимущества и недостатки SDR 45
2.2.3 Периферия 48
2.2.4 Обзор сред проектирования для разработки программируемых
радиосистем 52
2.2.4.1 Mathlab Simulink 52
2.2.4.2 GNURadio
2.3 Адаптивные программно-конфигурируемые системы с обучением
«учителем» 54
2.3.1 Алгоритм наименьшего квадрата (LMS) 57
2.3.2 Алгоритм RLS 57
2.3.3 Метод Ньютона 58
2.3.4 Алгоритм наискорейшего спуска 59
3 Алгоритм автоматизированного синтеза адаптивной высокоскоростной программно-конфигурируемой системы передачи данных с учётом характеристик спутниковой, радиорелейной и мобильной линии связи 61
3.1 Проведение оценки влияния неравномерности АЧХ радиотракта 61
3.2 Расчет поправочных значений в определение достоверности
принимаемых данных в системах связи с КАМ 65
3.3 Алгоритм автоматизированного синтеза адаптивной высокоскоростной программно-конфигурируемой системы передачи данных с учётом
характеристик линий связи различных типов 69
Заключение 72
Список использованных источников 75
Приложение
В настоящее время цифровая обработка сигналов широко используется в различных системах, с которыми человек сталкивается постоянно в повседневной жизни: навигационные системы, радио, системы оптической связи, вычислительная, домашняя технике. Такое массовое распространение объясняется научно-техническими достижениями в этой сфере, позволившими создавать устройства, имеющие невысокую стоимость, высокую производительность и малые размеры. Достаточно продолжительный промежуток этой области знаний привело к формированию самостоятельных научно-технических направлений. Одним из таких направлений является адаптивная обработка сигналов.
Адаптивная обработка сигналов зарождалась в середине двадцатого века, но создание математических методов, применяемых в ней, относится к более далёкому прошлому. Для формирования основных правил адаптивной обработки данные методы были использованы такими учёными как: Левинсоном, Крейном, Винером, и другими. На практике применил адаптивную обработку сигналов Бэрнард Уидроу, который в конце 50-х годов двадцатого столетия синтезировал первый адаптивный фильтр на основе алгоритма по методу наименьшего квадрата.
Адаптивная обработка сигналов применяется в случаях, когда параметры фильтра не могут быть просчитаны заранее. То есть происходит постоянное изменение условий фильтрации, соответственно использование фильтров с постоянными коэффициентами нецелесообразно .
Объектом исследования является адаптивная высокоскоростная
программно-конфигурируемая система передачи данных.
Предмет исследования - приёмная сторона высокоскоростной цифровой программно-конфигурируемой системы передачи данных.
Целью выполнения выпускной квалификационной работы является разработка алгоритма автоматизированного синтеза адаптивной
высокоскоростной программно-конфигурируемой системы передачи данных, учитывающей характеристик спутниковой, радиорелейной и мобильной линий связи.
Для достижения цели данной работы необходимо решение следующих задач:
- провести сравнительный анализ сигнально-кодовых конструкций различных видов систем связи;
- изучить перспективы развития частотных диапазонов;
- провести анализ дестабилизирующих факторов, возникающих в канале связи, и способов их компенсации;
- рассмотреть различные архитектуры построения приёмников цифровой связи, способы оценки фазы несущей;
- изучить концепция построения радиосистем по программно- конфигурируемому принципу, классификация, преимущества и недостатки, существующая периферия;
- провести оценка влияния неравномерности АЧХ радиотракта;
- произвести расчёт поправочных значений в определение достоверности принимаемых данных в системах связи с КАМ;
- разработать алгоритм автоматизированного синтеза адаптивной высокоскоростной программно-конфигурируемой системы передачи данных с учётом характеристик линии связи.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы исследована приёмная сторона высокоскоростной цифровой программно-
конфигурируемой системы передачи данных и решены поставленные задачи, а именно:
- проведён сравнительный анализ сигнально-кодовых конструкций различных видов систем связи;
- изучены перспективы развития частотных диапазонов;
- проведён анализ дестабилизирующих факторов, возникающих в канале связи, и способов их компенсации;
- рассмотрены различные архитектуры построения приёмников цифровой связи, способы оценки фазы несущей;
- изучена концепция построения радиосистем по программно- конфигурируемому принципу, классификация, преимущества и недостатки, существующая периферия;
- проведена оценка влияния неравномерности АЧХ радиотракта;
- произведён расчёт поправочных значений в определение достоверности принимаемых данных в системах связи с КАМ;
- разработан алгоритм автоматизированного синтеза адаптивной высокоскоростной программно-конфигурируемой системы передачи данных с учётом характеристик линии связи.
Из-за необходимости повышения скорости передачи данных при разработке систем связи возникает необходимость, в повышении позиционности модуляции и освоении новых частотных диапазонов, разработке новых стандартов. Так после внедрения сетей сотовой связи 5 поколения (5G) началась разработка оборудования следующего поколения сотовой связи, внедрение которого предполагается во второй половине следующего десятилетия.
Для систем, использующих манипуляции с высокими позиционностями (-512 и выше) особенно остро стоит проблема компенсации, возникающих шумовых и нешумовых потерь. Нешумовые потери остаются неизменными даже при использовании криогенного оборудования и с развитием высокоскоростных систем передачи требуется более детальное исследование процесса возникновения и способов компенсации. Шумы Джонсона возможно снизить путём использования криогенных технологий и использованием более совершенной элементной базы.
Наиболее целесообразным из предложенных способов компенсации нешумовых потерь является снижение потерь в радиотрактах, вызванных неравномерностью АЧХ, комплексов с использованием фильтра комплексно - сопряжённого с рассматриваемым каналом.
В современных системах связи используются сигналы с различной модуляцией с высокой позиционностью. Такие сигналы наиболее подвержены воздействию шумов и помех, возникающих в тракте передачи. Таким образом, особого внимания при приёме таких сигналов заслуживает вопрос фильтрации. Существуют различные варианты компенсации воздействия неравномерности канала передачи на сигнал, но наиболее оптимальным является адаптивная фильтрация. Необходимость использования адаптивных фильтров обусловлена изменениями условий функционирования системы или неопределённостью условий функционирования.
В связи с вышеописанным сформирована процедура синтеза адаптивной высокоскоростной программно-конфигурируемой системы передачи, учитывающей характеристики линии связи, по которой происходит передача данных:
- исходные данные: предполагаемое время работы системы (N), длительность интервала опроса (M), тип модуляции, кратность модуляции, коэффициент неравномерности сигнального созвездия (у), вероятность символьной ошибки (Posh);
- этап 1: определение остаточного заряда аккумуляторной батареи;
- этап 2: сравнение остаточного заряда с зарядом, требуемым для работы системы;
- этап 3: определение неравномерности амплитудно-частотной характеристики радиотракта, свободного вычислительного ресурса, длины импульсной характеристики адаптивного фильтра;
- этап 4: определение целесообразности использования адаптивного фильтра путём сравнения уровня неравномерности канала радиотракта и уровня неравномерности АЧХ фильтра;
- этап 5: синтез адаптивного фильтра.
- результат: адаптивный фильтр с требуемой длиной импульсной характеристики.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
