Кодирование в радиоэлектронных системах передачи информации

271

вероятностных характеристик передаваемого информационного сигнала и вероятностных характеристик канала. В рамках этих традиционных задач, такое согласование осуществляется на уровне канальных символов или их блоков (супербукв канала). При этом подходы к построению алфавита таких супербукв (ансамблей сигналов и СКК) могут существенно отличаться между собой, но направлены на решение этой общей проблемы.

Известно, что ансамбль сигналов, соответствующий полному двоичному коду длины n в

пространстве соответствующей размерности n , построенный заменой «1» на «–1», а «0» на

«+1», соответственно, обладает практически идеальным манипуляционным кодом.

Минимальным хемминговым расстояниям таких ансамблей соответствуют ребра n -мерного

куба, которые характеризуются и минимальными евклидовыми расстояниями.

Кодовые комбинации и соответствующие им координаты сигнальных векторов приведены в табл. 4.2; графическое изображение ансамбля представлено на рис. 9.13. При приеме сигналов такого ансамбля минимальная ошибка (ошибочный прием одной координаты сигнальной точки) приводит к неправильному приему одного бита информации.

Ошибочный прием двух координат сигнальной точки приводит к искажению двух бит информации и так далее. Однако, если рассмотреть зависимость между хемминговыми dh(i, j) и евклидовыми de( )i, j расстояниями для такого ансамбля, то можно выявить следующую

Таблица 4.2

Взаимосвязь кодовых комбинаций манипуляционного кода и координат сигнальных векторов

Таким образом, взаимосвязь между евклидовыми и хемминговыми расстояниями в многомерном ансамбле сигналов нелинейная, хотя большему хемминговому расстоянию

272

будет соответствовать большее евклидово расстояние. Если мощность и энергия сигналов являются постоянными величинами, не зависящими от номера, то ансамбли таких сигналов считают сигналами поверхностно-сферической упаковки.

В противном случае ансамбли сигналов рассматривают как объемные упаковки.

Сохранение манипуляционного кода, принятого для простого трехмерного куба, в

значительной мере сохраняет пропорциональность между евклидовыми и хемминговыми расстояниями и поэтому будет наилучшим и для наиболее плотного ансамбля. Для других комбинаций манипуляционных кодов для сигнальных векторов изначально не будет соблюдаться взаимная пропорциональность между евклидовыми и хемминговыми расстояниями.

Таким образом, практически невозможно создать идеальный манипуляционный код и,

следовательно, целесообразно строить манипуляционные коды, у которых хотя бы частично выполняется взаимосвязь между евклидовыми и хемминговыми расстояниями.

Практическая часть работы в MATLAB 2015 [21]

Перед началом выполнения работы, необходимо с папки ТСМ скопировать код в командную строку, который подгрузит необходимую схему для треллис модуляции.

Рис. 4.6. Панель MATLAB 2015

273

После, откроется следующая схема:

Рис. 4.7. Схема для исследования ТСМ в Simulink MATLAB 2015

1. Блок Двоичный генератор Бернулли генерирует случайные двоичные числа, используя распределение Бернулли. Выставьте ниже представленные параметры:

Рис. 4.8. Параметры источника (Source Block Parameters)

274

2. Блок М-PSK TCM кодер преобразовывает данные, полученные от блока Бернулли в

PSK созвездия с заданной его средней энергией. В этом примере мы используем схему TCM

8 - PSK созвездия для 8 решетчатых состояний. Выставьте ниже представленные параметры:

Рис. 4.9. Параметры блока: M-PSK TCM Encoder

После 2го блока нужно добавить диаграмму созвездий, который расположен в панели программы Matlab. Выставьте ниже представленные параметры:

Рис. 4.10. Панель MATLAB

275

Рис. 4.11. Схема для исследования ТСМ в Simulink MATLAB 2015

3. Блок OSTBC (ортогонально пространственно-временные блочные коды) кодирует информационные символы из TCM кодировщика, используя код Alamouti для 2х

передающих антенн. Выходом этого блока является матрица размером 50x2, элементы которой соответствуют данным колонки, передаваемых по одной антенне.

Блок OSTBC сочетает в себе полученные сигналы от приемной антенны с информацией о состоянии канала (CSI), которые затем подают в М-PSK TCM декодера. CSI известно на стороне приемника. Выставьте ниже представленные параметры:

Рис. 4.12. Параметры блока: OSTBC Encoder

4. MIMO канал разносит передающие и приёмные антенны так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой. Выставьте ниже представленные параметры:

276

Рис. 4.13. Параметры блока: MIMO Channel

5. Блок AWGN добавляет белый гауссовcкий шум на приемной стороне. Выставьте ниже представленные параметры:

Рис. 4.14. Параметры блока: Receive Noise

6.Блок Сжатия. Выставьте ниже представленные параметры:

7.Блок OSTBC дает оценку канала сигнала. Выставьте ниже представленные параметры:

277

Рис. 4.15. Параметры блока: OSTBC Combiner

8.Блок М-PSK TCM декодер выполняет декодирование сигнала ранее модулированного

сиспользованием PSK созвездия на входе. Для декодирования используется алгоритм Витерби. Выставьте ниже представленные параметры:

Рис. 4.16. Параметры блока: M-PSK TCM Decoder

9. Блок FER Display сравнивает декодированные биты с исходными битами в кадре для обнаружения ошибок и в онлайн режиме обновляет показатели. Этот блок состоит из трех показателей: количество ошибок в кадре, количество наблюдаемых кадров и количество обработанных ошибок в кадре. Выставьте ниже представленные параметры:

278

Рис. 4.17. Параметры блока: FER Display

Таблица 4.3 – Результаты работы

SNR, dB

Рис. 4.18. Зависимость FER от отношения сигнал/шум

279

Рис. 4.19. Диаграмма созвездия 8-PSK

Таким образом, в данной работе на примере сверточного кодирования были рас-

смотрены преимущество и технология применения треллис-модуляции для повышения скорости передачи данных.

Переход в режим треллис-модуляции позволил сохранить тот же уровень помехо-

устойчивости (3 дБ) при увеличении скорости передачи информации в 2 раза. Это дости-

гается с помощью совместного использования сверточного кода со скоростью 2/3 и фазовой манипуляции 8PSK. Использование треллис-модуляции является простым и эффективным решением для повышения скорости передачи в цифровых высокоскоростных системах связи.

4.2. Исследование сигнально-кодовой конструкции на базе системы с ортогональным частотным мультиплексированием и пространственно-временным кодированием OFDM - MIMO

В последнее время все активнее ощущается рост беспроводных систем связи. Развитие технологий мобильных устройств, беспроводных локальных сетей (WLAN) и стремительный рост Интернет вызывают все возрастающую потребность в увеличении емкости мобильных сетей. Также наблюдается все большая интеграция сотовых сетей с сетями передачи данных,

например GPRS в GSM сетях, а также сети 3G. Однако существующие технологии не могут удовлетворить новых потребностей по емкости сети, скорости передачи и стоимости услуг.

OFDM - ортогональное частотное мультиплексирование – это схема модуляции, которая позволяет быстро и эффективно передавать данные даже в каналах с многолучевым распространением сигнала. Передача ведется одновременно на большом количестве несущих частот. Эти несущие имеют небольшое разнесение по частоте и их спектры образуют групповой спектр OFDM сигнала. Частотное разнесение и синхронизация подобраны так,

280

чтобы несущие были ортогональны между собой, то есть не оказывали влияния друг на друга, несмотря на перекрытие по спектру. Другой важный подход, позволяющий существенно улучшить, по сравнению с традиционными системами, спектральную эффективность и помехоустойчивость системы - применение разнесения как на передающей,

так и на приемной стороне путем использования нескольких передающих и нескольких приемных антенн (MIMO). Эта технология уже применяется в некоторых современных стандартах, например IEEE 802.16 и LTE.

Особенности распространения сигнала

В мобильной радиосвязи параметры канала изменяются во времени, поскольку перемещение абонента в пространстве приводит к изменению условий распространения сигнала. Скорость изменения условий распространения определяет скорость замираний. В

большинстве случаев мобильный канал связи характеризуется отсутствием прямой видимости между передатчиком и приемником, особенно в условиях плотной городской застройки. Если имеется большое число многократно отраженных лучей и отсутствует прямая видимость, огибающая полученного сигнала может быть статистически описана с помощью релеевской функции плотности вероятности. Характер замираний в этом случае называют релеевским. На Рис. 4.20 показан многолучевой характер распространения сигнала вследствие отражений.

Рис. 4.20. Многолучевой характер распространения сигнала в мобильном канале связи.

В мобильном канале связи сигнал подвергается воздействию следующих основных типов искажений:

• Многолучевое распространение возникает в результате отражения, рассеяния и дифракции электромагнитных волн при взаимодействии с различными объектами в