История развития теории оптимального приема многопозиционных сигналов (5225-1)

Посмотреть архив целиком

История развития теории оптимального приема многопозиционных сигналов

М. А. Быховский

"Кто делает упорные усилия, чтобы взойти на вершину совершенства, тот никогда не восходит на нее один, но всегда ведет за собой, как доблестный вождь, бесчисленное воинство".

Св. Тереза Авильская

В статье дан краткий очерк истории открытия теории потенциальной помехоустойчивости - одной из интеллектуальных вершин в области телекоммуникаций. Эта вершина была покорена несколькими учеными - российским академиком В. А. Котельниковым и американскими и английскими учеными А. Зигертом, Д. Мидлтоном, П. Вудвортом и И. Дейвисом.

Приведенные в эпиграфе слова святой Терезы - монахини, жившей в XVI веке в Испании, как нельзя лучше характеризуют тот процесс, который был инициирован в электросвязи этими людьми.

Созданная теория открывала новую обширную область научных исследований, имеющих важное практическое значение. Тысячи специалистов, повинуясь своему творческому инстинкту и как бы услышав призыв великого итальянского поэта Данте Алигьери:

"Тот малый срок, пока еще не спят

Земные чувства, их остаток скудный

Отдайте постиженью новизны...

Вы созданы не для животной доли,

Но к доблести и к знанью рождены..."

последовали за первооткрывателями в эту область, связав с ней свою профессиональную судьбу. Результатом многочисленных исследований во вновь открытой области, выполненных за последние 50 лет, явился огромный прогресс в развитии техники телекоммуникаций.

В этой статье дан краткий очерк истории развития одного из разделов этой теории, относящегося к приему дискретных сигналов в канале без замираний.

Прием сигналов в каналах с постоянными параметрами и в каналах с неопределенной фазой двухпозиционные сигналы

Как уже упоминалось в [1], в первой работе В. А. Котельникова [2] по теории потенциальной помехоустойчивости рассматривались задачи приема сигналов в канале с постоянными и точно известными параметрами. Котельников рассматривал по существу системы приема сигналов, в которых применяется синхронное детектирование.

Однако синхронный прием возможен лишь в том случае, когда система синхронизации весьма точно отслеживает все изменения фазы принимаемого сигнала. Последнее предположение, строго говоря, неправомерно, так как любой системе фазовой автоподстройки частоты свойственны флуктуации и скачки фазы формируемого на ее выходе опорного сигнала. До середины 50-х годов проблема реализации синхронного приема сигналов оставалась нерешенной. Для передачи дискретных сообщений на практике применялись сигналы с амплитудной и частотной модуляцией (AM и ЧМ), прием которых осуществлялся путем их детектирования. И первое время исследования в области теории приема дискретных сообщений были направлены на определение оптимальных алгоритмов некогерентного приема этих сигналов и получение формул, позволяющих рассчитать вероятность их ошибочного приема.

По-видимому, первой работой, в которой содержались результаты исследований вопросов приема сигналов в канале с неопределенной фазой, явилась фундаментальная статья американских ученых У. Петерсона, Т. Бирдзолла и У. Фокса, в которой были приведены структурные схемы оптимальных приемников и дана оценка помехоустойчивости некогерентного приема сигналов.

Отметим, что В. А. Котельников, переключившийся после создания своей теории в 1947 г. на другие научные проблемы и переставший работать в открытой им новой области, опубликовал в 1959 г. работу [3], в которой рассмотрел одну специфическую задачу некогерентного приема широкополосных сигналов и сопоставил помехоустойчивость когерентного и некогерентного приема таких сигналов.

Всесторонние исследования вопросов приема сигналов в канале связи с неопределенной фазой сигналов выполнил в середине 50-х годов выдающийся российский ученый Л. М. Финк. Он нашел структуру оптимальных демодуляторов и получил формулы, определяющие их помехоустойчивость. Полученные им результаты вошли в его широко известную в СССР монографию, первое издание которой было опубликовано в 1963 г., а второе [4] - в 1970 г. Финк рассмотрел не только вопросы некогерентного приема в оптимальных по Котельникову приемных устройствах, но и в других устройствах, применяемых на практике. Им, в частности, были исследованы вопросы помехоустойчивости приема сигналов ЧМ с использованием частотного дискриминатора. Подобные исследования были выполнены также американскими учеными В. Р. Бенетом и Дж. А. Залтцем.

Возможность повышения помехоустойчивости приема сигналов в результате применения синхронного детектирования была осознана инженерами еще задолго до появления теории Котельникова. В течение многих лет, начиная с 30-х годов этого века, ученые и инженеры пытались реализовать принципы когерентного приема сигналов ФМ. В книге [5] указано, что первые идеи по применению этих принципов встречаются в патентах, начиная с 1917 г. В 1928 г. выдающимся американским ученым Г. Найквистом была опубликована первая теоретическая статья, посвященная вопросам фазовой селекции сигналов. Первую практическую схему синхронного приема осуществил в 1932 г. французский инженер О. Бельсиз [9].

Важные изобретения и исследования в области синхронного приема дискретных сигналов были сделаны советскими учеными А. А. Пистолькорсом, В. И. Сифоровым, Е. Г. Мамотом и Д. В. Агеевым в 1933-1935 гг. Однако реализовать синхронный прием сигналов с фазовой модуляцией (ФМ) не удавалось, так как не были найдены способы устранения "обратной работы" при формировании опорного сигнала, необходимого для реализации когерентного детектирования.

В 1954 г. в России профессором Н. Т. Петровичем было сделано важное изобретение, позволившее применить идеи синхронного приема на практике [5]. Суть этого изобретения состояла в том, что текущая информация о передаваемом сигнале изменяла фазу несущей частоты на противоположную по отношению к тому значению, которое она имела при передаче сигнала в предыдущий момент времени. Такой метод передачи позволял использовать колебание предшествующей посылки в качестве опорного для синхронного детектирования сигнала, принимаемого в данный момент. В литературе он получил название "относительно-фазовая модуляция" (ОФМ).

Российский ученый Ю. Б. Окунев (ЛЭИС) в 1966 г. обобщил разностный метод передачи дискретных сигналов для условий, когда после прохождения канала связи не только фаза, но и частота принимаемого сигнала становятся нестабильными. Такие условия возникают, например, когда передача сигналов осуществляется с движущегося на большой скорости объекта (с борта самолета или спутника) и возникает эффект Доплера. Им же была исследована помехоустойчивость приема таких сигналов.

В течение почти десяти лет многими учеными велись исследования помехоустойчивости приема сигналов ОФМ. Были рассмотрены разные алгоритмы приема и получены формулы, определяющие вероятность ошибочного приема, изучено группирование ошибок, свойственное этому методу передачи сигналов, рассмотрены вопросы реализации устройств для их приема. Исследовалась также двойная относительно-фазовая модуляция (ДОФМ) - метод передачи, при котором фаза передаваемого сигнала от посылки к посылке изменяется на 45°.

В России многие важные результаты, относящиеся к приему сигналов ОФМ и ДОФМ, были получены Л. М. Финном [4], Н. П. Хворостенко [6] и американским ученым К. Р. Каном.

Эти ученые исследовали помехоустойчивость разных методов приема сигналов с ОФМ и ДОФМ, как в каналах с постоянными параметрами, так и в каналах с замираниями. В изданной в 1967 г. книге Л. М. Заездного, Ю. Б. Окунева и Л. М. Раховича [7] обобщены основные, полученные к тому времени теоретические и практические результаты, касающиеся систем передачи и приема сигналов с ОФМ.

Важные результаты в этом направлении получены американскими учеными К. Р. Каном и К. В. Хелстромом, которые первыми исследовали вопросы помехоустойчивости синхронного приема в условиях, когда фаза опорного сигнала, подаваемого на синхронный детектор, испытывает флуктуации из-за действия шумов. С. Штейн предложил обобщенную методологию анализа помехоустойчивости приема сигналов в каналах с неопределенной фазой, которая применима к сигналам как с ЧМ, так и с ОФМ. Методы передачи и приема дискретных сигналов ОФМ и ДОФМ нашли весьма широкое применение во многих системах связи.

Весьма важная разработка синхронной системы связи, названной "Кинеплекс", была выполнена в 1954-1956 гг. американской фирмой Collins Radio. В этой системе, которая явилась значительным достижением в технике связи, была применена ОФМ. В полосе частот одного телефонного канала формировался многочастотный сигнал, состоящий из 20 несущих колебаний, расположенных с интервалом ПО Гц [8]. На всех несущих методом ДОФМ синхронно передавались потоки цифровых сигналов со скоростью 120 бит/с. Система имела весьма высокую спектральную эффективность, позволяя в полосе частот, равной 1 ГГц, передавать информацию со скоростью 0, 6 бит/с. В работе Лаутона была исследована помехоустойчивость приема сигналов в этой системе.

Системы, подобные "Кинеплексу", для передачи данных по коротковолновым линиям связи были разработаны и в России [7, 9].

В 80-х гг. Европейским институтом стандартизации на принципах, заложенных в системе "Кинеплекс", были разработаны стандарты на цифровые системы звукового и телевизионного вещания, которые в XXI веке во всех странах Европы придут на смену действующим сегодня аналоговым системам.


Случайные файлы

Файл
internet2002.doc
168861.rtf
5539-1.rtf
13001.doc
133001.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.