СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ ОШИБКИ НА БИТ ПО ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ МНОГОЧАСТОТНЫМ ИНФОРМАЦИОННЫМ СИГНАЛАМ
METHOD OF DETERMINING BIT ERROR PROBABILITY ON PARALLEL MULTIFREQUENCY INFORMATION SIGNALS

Изобретение относится к области электросвязи и может быть использовано в системах передачи данных, при работе с заданной скоростью в заданной частотной полосе без введения избыточности, для осуществления оценки качества канала связи.
Для обеспечения высокой скорости передачи данных в параллельных многочастотных модемах передача осуществляется одновременно на нескольких субчастотах, в пределах заданной частотной полосы.
Для обеспечения стабильной работы систем передачи данных необходимо осуществлять контроль качества приема сигнала в каналах связи. Наиболее часто используемой характеристикой качества канала в цифровых системах связи является оценка вероятности ошибки на бит.
Известен способ измерения вероятности ошибки на бит, описанный в патенте США №4100531. Он заключается в том, что на передающей стороне формируют тестовый сигнал, представляющий собой модулированный псевдослучайный сигнал. Во время прохождения через канал тестовый сигнал изменяется за счет свойств канала, а также к нему добавляется случайный шум. На приемной стороне осуществляют прием сигнала и его демодуляцию, а затем реализуют побитное сравнение принятой последовательности бит с эталонной. Несовпадение сравниваемых бит считают ошибкой. Оценку вероятности ошибки определяют как отношение количества зарегистрированных ошибок к длине последовательности.
Данный способ требует прерывания передачи полезной информации на время, необходимое для передачи тестового сигнала. Характеристики канала меняются во времени, и при этом изменяется вероятность ошибки, поэтому эту операцию проводят через определенные промежутки времени. Производимые для этой цели прерывания передачи сообщений усложняет возможность применить этот способ в системах непрерывной передачи данных.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, обеспечивающим получение оценки качества канала в условиях непрерывной и безызбыточной передачи данных, является система, описанная в патенте США №4566100. Оценка вероятности ошибки определяется с помощью анализа флуктуации положения фазы принимаемого полезного сигнала.
В этой системе на передающей стороне формируют сигнал в модуляторе на основе полезной информации, которую необходимо передать. После модулятора передают сформированный сигнал по каналу связи. Далее, после прохождения сигналом канала, осуществляют его прием на приемной стороне, вероятность ошибки на бит в сигнале из таблицы, которую получают заранее на приемной стороне путем приема известной последовательности, вставленной в информацию. Такой способ обеспечивает непрерывную и безызбыточную передачу полезной информации.
Получаемая данным способом оценка обладает большой погрешностью, так как за счет непрерывного изменения параметров канала связи, вероятность ошибки на бит и соответствующее ей количество символов, фаза которых попадает в правую полуплоскость, становятся отличными от значений, вычисленных заранее, в соответствии с определенной моделью канала.
Целью настоящего изобретения является обеспечение непрерывной передачи полезной информации и повышения качества канала передачи данных.
Поставленная цель достигается за счет того, что на передающей стороне формируют сигнал в модуляторе на основе полезной информации, которую необходимо передать, причем после модулятора предают сформулированный сигнал по каналу связи, а после прохождения сигналом канала, осуществляют его прием на приемной стороне, при этом на приемной стороне принятый сигнал подают параллельно на демодулятор и блок оценки, в котором осуществляют оценку вероятности ошибки на бит, формируя выборочную плотность распределения разности фаз между двумя соседними посылками, на основе доступных для измерения выборочных плотностей распределения разности фаз между двумя сегментами элементарной посылки и фазовой поправки, которая реализуется через преобразователь Фурье, а искомая оценка вероятности ошибки на бит определяется путем интегрирования вычисленной плотности разности фаз между двумя элементарными посылками в заданных пределах, предоставляя постоянно корректируемую оценку качества канала связи.
На Фиг.1. представлена блок-схема оценки вероятности ошибки на бит. Она состоит из: 1 - передающей стороны; 2 - канала связи; 3 - приемной стороны; 4 - демодулятора; 5 - блока оценки.
Система оценки вероятности ошибки на бит работает следующим образом. На передающей стороне формируют сигнал на основе полезной информации, которую необходимо передать. Передают сформированный сигнал по каналу связи. Далее, после прохождения сигналом канала, осуществляют его прием на приемной стороне. Принятый сигнал подают одновременно на демодулятор и блок оценки, в котором осуществляют оценку вероятности ошибки на бит.
Оценку вероятности ошибки на бит получают в блоке оценки. Описываемый способ основывается на определении плотности распределения разности фаз между двумя соседними посылками, на основе доступной для измерения плотности распределения разности фаз между двумя сегментами элементарной посылки, определяемой в частотной области, как разность фаз спектральных коэффициентов, вычисленных для половинных сегментов элементарной посылки.
1
2
Начальная фаза Ф элементарной посылки может быть определена через фазы φ, φ половинных сегментов элементарной посылки следующим образом:
,
1
2
1
2
где сложение фаз подразумевается в геометрическом смысле, как аргумент комплексного вектора, получаемого в виде суммы комплексных векторов единичной длины с аргументами φ, φ. δφ определяется как поправка, которую можно найти, так как Ф, φ, φ измеряемы для каждой элементарной посылки.
Тогда разность фаз между двумя символами равна:
.
Из-за наличия помех в канале связи ΔФ является случайной величиной, отклонение которой от истинного значения разности фаз можно записать в виде следующего выражения:
1
2
1
2
1
2
В процессе приема информации, осуществляя вычисление (φ-φ) и Ф, δφ на каждой посылке можно определить плотность распределения (φ-φ) и плотность распределения δφ. При этом Ф, φ, φ определяются с помощью квадратурных преобразований сигнала на всей длине посылки и на первом, и втором ее сегменте соответственно, а δφ вычисляется по формуле:
.
Тогда выражение для плотности распределения вероятности δФ, на основании теоремы о сложении углов, примет вид:
,
1
Где символ * означает свертки, а  - плотность распределения , удовлетворяющая на интервале  условию нормировки, W(·) - плотность распределения случайной величины δφ, а свертка определяется как циклическая операция на интервале [-π; π].
1
2
Случайные величины (φ-φ), δφ доступны для измерения в процессе демодуляции информационных сигналов. Тогда возникает задача определения выборочной плотности вероятности распределения этих случайных величин. Из априорных соображений можно считать, что закон распределения этих величин является симметричным относительно нуля. В этом случае, плотность распределения случайной величины x можно представить в виде:
.
1
2
Такая запись удобна для вычисления свертки двух плотностей, заданных на окружности, поскольку для этой цели обычно используют алгоритм вычисления в спектральной области. Тогда задача статистической обработки результатов фазовых измерений сводится к определению коэффициентов Фурье на основе выборочных совокупностей величин (φ-φ) и δφ [К.Мардиа. Статистический анализ угловых наблюдений. - М.: Наука, 1978]. Выражения для оценок коэффициентов ряда Фурье определяются выражением:
,
i
где x - случайные величины с оцениваемой плотностью распределения, полученные в процессе измерений, N - объем выборки.
k
Стоит отметить, что вычисленная в процессе обработки результатов измерений плотность носит приближенный характер, поскольку  - это приближенные значения коэффициентов Фурье C. Таким образом, выражение для выборочной плотности распределения  случайной величины x имеет вид:
,
где M - количество используемых членов ряда Фурье.
Таким образом, можно получить представление искомой функции в положительной вещественной области, а в отрицательной области она представляет собой симметричное отображение относительно оси ординат.
Для последующей работы необходимо, чтобы данная плотность была дискретным вектором, поэтому необходимо ее определить в конечном наборе равноотстающих точек, расстояние между которыми должно быть не менее чем в два раза меньше, чем период высшей гармоники с номером M.
M
M
, L≥2ƒ2π, где ƒ - частота гармоники с номером М.
Для того чтобы данное разложение было корректно, необходимо убедиться, что выполняются неравенства:
, .
При этом нужно учесть, чтобы выполнялось условие нормировки. Для этого необходимо положить коэффициент . Это нужно сделать, так как коэффициент  не должен принимать случайные значения.
Особое внимание следует уделить вопросу выбора M, так как от этого зависит, насколько выборочная плотность будет похожа на теоретическую плотность распределения вероятности.
Используя полученные соотношения, удается в единой вычислительной схеме определить выборочные плотности распределения и вычислить свертку.
Определив плотность распределения , можно оценить вероятность ошибки на бит путем интегрирования этой плотности по соответствующим областям. При этом интегрирование в дискретном случае сводится к суммированию. Так, при использовании сигналов с однократной относительной фазовой модуляцией, выражение для оценки вероятности ошибки на бит имеет вид:
.
Для проверки корректности полученной величины, необходимо убедиться, что вероятность ошибки удовлетворяет следующему неравенству:
,
где  - оценка вероятность ошибки, соответствующая половине длины символа, получаемая как отношение количества значений разностей фаз между двумя сегментами элементарной посылки, соответствующими ошибке, накопленными за время анализа к общему количеству данных значений.
По аналогии можно получить выражения для оценок вероятностей ошибок на бит при использовании сигналов с относительной фазовой модуляцией более высокой кратности, а также осуществить прогноз ожидаемой достоверности приема сообщений при использовании другой кратности манипуляции.
Для примера рассмотрим случай, когда для передачи информации используют однократную относительную фазовую модуляцию, а демодуляцию осуществляют путем вычисления разности фаз между двумя соседними сигналами, сравнивая комплексные спектры сигнала на каждой из субчастот, то есть, если разность фаз на заданной субчастоте попала в правую полуплоскость, то на данной частоте передают символ «0», если в левую - «1».
На Фиг.2 представлен блок оценки. Он содержит: 6 - демодулятор; 7 - блок накопления; 8 - блок вычисления коэффициентов Фурье; 9 - сумматор 1; 10 - блок проверки 1; 11 - умножитель; 12 - сумматор 2; 13 - блок проверки 2.
Сигнал, поданный на блок оценки 5, поступает на демодулятор 6, в котором осуществляют демодуляцию сегментов символа на всех используемых субчастотах. Результат демодуляции передают в блок накопления 7, где накапливают соответствующее времени анализа число результатов демодуляции, которые для формирования выборочной плотности вероятности распределения данных величин передают в блок вычисления оценок коэффициентов Фурье 8, чтобы получить ряд Фурье-разложения данной плотности распределения вероятности. Далее, полученные члены ряда суммируются в сумматоре 1 (9), и полученное значение проверяется на положительность для проверки корректности Фурье-разложения в блоке проверки 1 (10). Если значение положительно, то в умножителе организуется свертка в виде умножения соответствующих членов ряда и суммирование полученных произведений для формирования искомой плотности распределения. Далее в сумматоре 2 (12) реализуется интегрирование полученной плотности распределения вероятности, которая является дискретной величиной, в виде суммирования определенных элементов данной плотности, соответствующих заданным пределам интегрирования. Получаемая таким образом вероятность ошибки проходит проверку в блоке проверки 2 (13) на положительность и на сравнение с вероятностью ошибки, соответствующей половине длины посылки, которая запоминается в блоке накопления 7 как отношение количества отрицательных значений, поступающих в блок накопления 7 к общему количеству. Если вероятность ошибки проходит проверки в блоке проверки 2 (13), то принимается решение о ее корректности.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает непрерывную передачу полезной информации и предоставляет более точную и постоянно корректируемую оценку качества канала передачи данных.