دیجیتال، نایکویست، مخابرات، مدولاسیون، مخابراتی، نویز

رایلی فرکانس گزین آهسته
88 جدول 3-23- عملکرد سیستم با ویژگی جدید درSNR=-2dB ، رایسین فرکانس گزین سریع
88 جدول 3-24- عملکرد شناساگر با ویژگی جدید درSNR=4dB ، رایلی فرکانس گزین آهسته
88 جدول 3-25- عملکرد شناساگر با ویژگی جدید درSNR=4dB ، رایلی فرکانس گزین سریع
89 جدول 3-26- عملکرد شناساگر با ویژگی جدید درSNR=6dB ، کانال رایلی تخت سریع
90 جدول 3-27- مقادیر میانگین و واریانس درصد تشخیص صحیح سیستم
91 جدول 3-28- مقایسه سیستم پیشنهادی با کارهای انجام شده
ليست علايم و اختصارات ACO الگوریتم کلونی مورچه (Ant Colony Optimization)
ADSL خط مشترک دیجیتال نامتقارن (Asymmetric Digital Subscriber Line)
ASK کلیدزنی شیفت دامنه (Amplitude Shift Keying)
BPSK کلیدزنی شیفت فاز دودویی (Binary Phase Shift Keying)
COA الگوریتم بهینه سازی فاخته(Cuckoo Optimization Algorithm)
CF تابع مشخصه (Characteristic Function)
CP پیشوند گردشی (Cyclic Prefix)
DAB پخش صدای دیجیتال (Digital Audio Broadcasting)
DT تئوري (نظريه) تصميم (Decision Tree)
DVB_T اطلاعات ویدئو رادیویی دیجیتال (Digital Video Broadcasting-Terrestrial)
ELR شعاع تخمگذاری (Egg Laying Radius)
EP برنامه ريزي تكاملي (Evolutionary Programming)
FFT تبدیل فوریه سریع (Fast Fourier Transform)
FDM مالتی پلکس تقسیم فرکانسی (Frequency Division Multiplexing)
GA الگوریتم ژنتیک (Genetic algorithm)
GI فاصله زمانی محافظ (Guard Interval)
ICA آناليز مولفه هاي مستقل (Indepdent Component Analysis)
ICI تداخل بین حاملی (Inter Carrier Interference)
ISI تداخل بین سمبلی (Inter Symbol Interference)
INFOMAX ماكزيمم سازي اطلاعات(Information Maximization)
KKT تئوری بهینهسازی کراش-کوهن-تاکر (Karush-Kuhn-Tucker)
LOS مولفه مسیر مستقیم (Line-Of-Sight)
MCM مدولاسيون چند كاربري (Multi-Carrier Modulation)
ML ماكزيمم شباهت (Maximum Likelihood)
OAA روش يکی در برابر همه (One-Against -All)
OAO روش يک به يک (One- Against -One)
OFDM مدولاسیون تقسیم فرکانسی متعامد (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
PDF تابع چگالي احتمال(probability Density Function)
PDR گیرنده آشکارساز وسیع(Panoramic Display Receiver)
PR تشخيص الگو (Pattern Recognition)
PSO بهينه سازي ازدحام ذرات(Particle Swarm Optimization)
QAM کلیدزنی دامنه تربیعی (Quadrature Amplitude Keying)
QPSK کلیدزنی شیفت فاز تربیعی (Quadrature Phase Shift Keying)
RBF تابع پایهی شعاعی (Radial Basis Function)
SASS اندازه گام خود تطبیقی (Self Adaptive Step Size)
SBS جستجوی برگشتی متوالی (Sequential Backward Search)
SFS روش جستجوی مستقیم متوالی (Sequential Forward Search)
SRM اصل حداقل سازي ریسکساختاري (Structural Risk Minimization)
SNR نسبت سيگنال به نويز(Signal to Noise Ratio)
SVM ماشین بردار پشتیبان (Support Vectors Machine)
TDM تقسیم زمانی (Time Division Multiplexing)
پيشگفتار
پيشگفتارامروزه شبیه سازی سیستمهای مخابراتی با توجه به پیچیدگی روز به روز تجهیزات، از اهمیت بالایی برخوردار است. مطالعه و بررسی عملکرد یک سیستم با روش های تحلیلی، سخت و گاهی غیر ممکن بوده و بررسی عملکردهای سیستم مخابراتی مدرن، بدون استفاده از شبیه سازی، ساخت نمونه آزمایشی را اجتناب ناپذیر میکند. اما علیرغم هزینههای بالای ساخت یک نمونه آزمایشی، هزینههای آزمایش در شرایط مختلف چندین برابر هزینه شبیهسازی کامپیوتری خواهد بود. علاوه بر آن شبیه سازی کامپیوتری شرایطی را مورد بررسی قرار میدهد که تولید همهی آن شرایط شبیهسازی عملا با یک نمونهی ساخته شده، امکان پذیر نیست و ممکن است فراهم نبودن بسترهای زیرساختی، موجب ایجاد شکافی بزرگ میان مباحث تئوری و پیاده سازی عملی شود. دلایل ذکر شده و نیز سهل الوصول بودن استفاده از کامپیوتر، به طور منطقی بر محبوبیت شبیهسازی میافزاید.
یک بخش بسیار مهم در تمامی سیستمهای مخابراتی، بخش بازیابی اطلاعات در گیرنده است. اهمیت این بخش زمانی روشن میگردد که بنا به هر دلیلی، گیرنده از محتوی نوع سیگنال ارسالی در فرستنده و نیز شرایط کانال اطلاع نداشته باشد. تاكنون روشهاي مختلفي براي تشخیص خودکار نوع مدولاسیون دیجیتال پیشنهاد شده است که هر کدام، در شرایط گوناگون سعی در ارائه روشی خودکار برای شناسایی نوع مدولاسیون داشتهاند. روشهای ارائه شده در دو روش کلی خلاصه میشوند: روشهای مبتنی بر نظریهی تصمیم (با معیارهای آماری) و روشهای مبتنی بر تشخیص الگو.
با توجه به سادگی و تعمیمپذیری روشهای مبتنی بر تشخیص الگو در این پایاننامه به دنبال ارائه روشی هستیم تا با آن بتوان ویژگیهای کارایی را از سیگنال استخراج و انتخاب نموده و سپس با استفاده از مفاهیم تشخیص الگو، نوع مدولاسیون را تشخیص دهیم. در بیشتر سیستمهای پیشنهاد شدهی قبلی، همواره ویژگیهایی از سیگنال دریافتی در گیرنده استخراج میگردد. این ویژگیها در مرحلهی بعدی به واحد دیگری به نام واحد طبقهبندیکننده تحویل داده میشود. طبقهبندیکننده ابتدا درصدی از این ویژگیها را برای تمامی کلاسها انتخاب نموده و براساس آنها، فرآیندی موسوم به فرآیند آموزش دادهها را، پیادهسازی میکند. در حالت آموزش، شناساگر عموما، فضای بردار ویژگی را با شاخصهایی بین کلاسها تقسیم مینماید. سپس در حالت آزمایش، طبقه بندی کننده، براساس درصد باقی مانده از سیگنالها، ویژگیها را با این شاخصهای عملکردی میسنجد. کارایی سیستم در این حالت، تابعی براساس درصد تشخیص صحیح سیستم است. هر چقدر ویژگیها از نظر مفاهیم آماری (میانگین، واریانس و غیره) در دو حالت آموزش و تست برای هر کلاس، پایدارتر بوده و نیز نسبت به دیگر کلاسها همبستگی کمتری داشته باشند؛ قدرت تشخیص شناساگر، بیشتر خواهد بود. متناظرا هر سیستمی که به دادههای کمتری برای آموزش و آزمایش نیاز داشته باشد قابلیت بیشتری دارد و اصطلاحا نسبت به دادههای ندیده مقاومتر است.
در روشهای شناسایی قبلی که مبتنی بر تشخیص الگو هستند ویژگیهایی از سیگنال استخراج شده و بعد از آن این ویژگیها با شناساگری که درصد تشخیص بهتری را ارائه میداد، مورد ارزیابی قرار میگرفت. تقریبا در تمامی کارهای گذشته برای کاهش ابعاد ویژگی و نیز کاهش پیچیدگی سیستم، روشهایی برای انتخاب ویژگی پیشنهاد میگردید. در این روشها عموما از الگوریتمهای تکاملی برای جستجوی سراسری فضای ویژگی استفاده میشده و زیر مجموعهای از بردار ویژگی که منجر به درصد تشخیص بالاتر میشد به عنوان زیرمجموعه کارا انتخاب میشد. در پارهای از روشها نیز از این الگوریتمها برای بهینهسازی تنظیمات مربوط به طبقه بندی کنندهها استفاده میشد.
از میان طبقه بندی کنندههای مورد استفاده در روشهای تشخیص الگو میتوان به شبکههای عصبی مصنوعی، طبقه بندی کنندههای فازی، مدار طبقه بندی کننده آستانهای و ماشین بردار پشتیبان اشاره نمود. در بین این شناساگرها، طبقه بند ماشین بردار پشتیبان، به دلیل استفاده از مفاهیم ساختارمحور در کمینهسازی خطا، همواره با استقبال بیشتری از سوی محققان رو به رو بوده است. در این پایاننامه نیز این شناساگر، جهت تفکیک سیگنالهای مدولاسیون دیجیتال استفاده شده است.
فصل اول
مقدمهای بر سيستم شناسايي خودكار نوع مدولاسيون
مقدمهاين فصل به بررسی سیستم شناسايي خودكار نوع مدولاسيون (نوع سيگنال) و برخي از كاربردهاي مهم آن، سير تكامل شناسايي نوع مدولاسيون، دسته بندي کلي روشهای شناسايي نوع مدولاسيون، كارهاي انجام شده توسط ديگران، و هدف از انجام اين پایاننامه میپردازد.
آشنايي با سيستم شناسايي خودكار نوع مدولاسيون و برخي از كاربردهاي آن
به سيستمی که عمل تعيين نوع مدولاسيون سيگنال دريافتي را، در بين مجموعهاي از مدولاسيونها به صورت خودکار و هوشمند به عهده دارد؛ شناساگر خودكار نوع سيگنال گفته میشود. به سبب آنکه سیستم با تغییر شرایط کانال، خود را وفق میدهد به این نوع سیستمها، سیستم هوشمند میگویند. فرآيند بازشناخت مدولاسيون، مرحلهی قبل از دمدولاسيون است. در سيستمهاي مخابراتي هوشمند، در صورت تشخيص غلط نوع و مرتبه مدولاسيون و بكارگيري يك دمدولاتور نامناسب، ممكن است محتوي اطلاعات سيگنال بهطور كامل از دست برود ]1[. تشخیص نوع مدولاسیون هم اکنون یکی از حوزههای مهم پردازش سیگنال در علم مخابرات بوده و هر ساله تلاشهای مختلفی از سوی محققان سراسر دنیا برای ارائه سیستمی هوشمند که به طور خودکار شناسایی نوع مدولاسیون را انجام می دهد؛ صورت میگیرد.
سیر تحول و توسعهی سیستمهای مخابراتی دیجیتال
تلگراف به عنوان اولین سیستم مخابرات الکتریکی یک سیستم مخابراتی دیجیتال بود. تلگراف الکتریکی توسط ساموئل مورس اختراع و در سال 1837 به نمایش گذاشته شد. مورس، کد دودویی با طول متغیری را که در آن حروف الفبای انگلیسی با دنبالهای از خطهای تیره و نقطهها (کلمه کد) نمایش داده میشد؛ ابداع نمود. در این کد، حروف با تواتر وقوع بالاتر، با کلمات کد کوتاه و حروف با تواتر وقوع کمتر، با کلمات کد بلندتر نمایش داده میشوند [2].
تقریبا چهل سال بعد از آن، در سال 1875 امیل بودت یک کد دودویی با طول ثابت 5 برای تلگراف ابداع نمود. در کد بودت، اجزای کد دارای طول یکسان بوده و نقطه و فاصله نامیده میشود. هر چند مورس ابداع کنندهی اولین سیستم مخابراتی دیجیتال (تلگراف) است، اما سر آغاز آنچه ما امروز به عنوان مخابرات دیجیتال مدرن میشناسیم به کار نایکویست (1924) بر میگردد؛ که مسئله حداکثر نرخ دادهی قابل ارسال روی یک کانال تلگرافی با پهنای باند داده شده را بدون وقوع تداخل بین سمبلها بررسی نمود. نایکویست معادلهی (2-1) را برای سیستم تلگراف پیشنهاد نمود که سیگنال ارسالی آن دارای صورت عمودی زیر است[2].
(1-1)
که در این معادله بیانگر شکل پالس و دنباله دادهی دودویی است که با نرخ بر ثانیه ارسال شده است. نایکویست کار خود را با تعیین شکل پالس بهینه با پهنای باند محدود هرتز به گونهای آغاز نمود که علاوه بر عدم ایجاد تداخل بین سمبلها در لحظات نمونه برداری، نرخ بیت نیز حداکثر شود. مطالعات، وی را به این نتیجه، که حداکثر نرخ ارسالپالس بر ثانیه است رساند، که این نرخ را، نرخ نایکویست مینامند. دستیابی به این نرخ ارسال با استفاده از شکل پالس مقدور است. این شکل پالس امکان بازیابی داده را بدون تداخل بین سمبلها در لحظات نمونهبرداری فراهم میکند. نتیجهی کار نایکویست معادل تفسیری از قضیهی نمونهبرداری برای سیگنالهای باند محدود است که بعدها توسط شانون (1948) مطرح شد. قضیهی نمونه برداری چنین بیان میدارد که سیگنال باند محدود را میتوان از روی نمونههای برداشته شده با نرخ نایکویست نمونه در ثانیه با استفاده از فرمول درونیابی زیر بازسازی نمود.
(1-2)
هارتلی با الهام از کار نایکویست (1928) مسئله نرخ ارسال مطمئن داده روی یک کانال دارای پهنای باند محدود را با استفاده از سطوح دامنهی چندگانه بررسی نمود. هارتلی از این قیاس منطقی که گیرنده با وجود نویز و تداخل میتواند دامنهی سیگنال دریافتی را با دقت معینی مثلا با اطمینان تخمین بزند استفاده کرد. بررسیهای هارتلی را به این نتیجه رهنمون ساخت که برای ارسال مطمئن اطلاعات روی یک کانال با پهنای باند محدود، وقتی که حداقل دامنه محدود به (قید توان ثابت) و توان تفکیک دامنه سیگنال دریافتی باشد، یک حداکثر نرخ ارسال داده وجود دارد [3]. یک پیشرفت چشمگیر دیگر در توسعه مخابرات دیجیتال، کار وینر (1942) بود که مسئله تخمین شکل موج یک سیگنال دلخواه را در حضور نویز تجمعی و با مشاهده سیگنال دریافتی بررسی نمود. این مسئله در وامدولهسازی سیگنال مطرح میشود. وینر یک فیلتر خطی را تعیین نمود که خروجی آن بهترین تقریب سیگنال مورد نظر از دید متوسط مجذور است. فیلتر حاصله را، فیلتر خطی بهینه (کولموگارف-وینر) گویند. نتایج هارتلی و نایکویست در مورد حداکثر نرخ ارسال اطلاعات دیجیتال بر کار شانون که به تبیین مبانی ریاضی انتقال اطلاعات و تعیین محدودیتهای پایهی سیستمهای مخابرات دیجیتال منجر گردید مقدم بود. شانون در کار پیشگامانهی خود مسئله اساسی انتقال مطمئن اطلاعات را در یک قالب آماری و با استفاده از مدلهای احتمالی برای منابع اطلاعات و کانالهای مخابراتی فرمولبندی نمود. همچنین نشان داد که اثر محدودیت توان فرستنده، محدودیت پهنای باند و نویز تجمعی را میتوان با کانال مرتبط نموده و در یک پارامتر واحد به نام ظرفیت کانال جای داد. به عنوان مثال در مورد یک نویز تجمعی گوسی سفید (طیف صاف)، ظرفیت یک کانال ایدهآل با پهنای باند محدودبرابر است با:
(1-3)
که در آن متوسط توان ارسالی و چگالی طیفی توان نویز تجمعی است. مفهوم ظرفیت کانال به شرح زیر است: اگر نرخ اطلاعات منبع کمتر از ظرفیت باشد؛ در اینصورت از نظر تئوری امکان انتقال مطمئن اطلاعات (بدون خطا) از طریق این کانال با انتخاب شیوهی مناسب کدگذاری وجود دارد. از طرف دیگر اگر باشد مستقل از میزان پردازش انجام‌شده در فرستنده و گیرنده، امکان انتقال مطمئن وجود ندارد. در نتیجه شانون حدود اساسی انتقال اطلاعات را تبیین و حوزهی جدیدی به نام تئوری اطلاعات را بنیان نهاد[3]. کار مهم دیگر در زمینه مخابرات دیجیتال مربوط به کوته لینکف (1947) است که بر مبنای یک رویکرد هندسی سیستمهای مختلف مخابرات دیجیتال را به صورت هماهنگ تجزیه و تحلیل نمود. کار او بعدها توسط وزنکراف و جاکوبس (1965) توسعه داده شد. متعاقب کار شانون، نوبت به کار کلاسیک همینگ در مورد کدهای تصحیح و تشخیص خطا برای مقابله با اثرات تخریبی نویز کانال رسید. کار همینگ در سالهای بعد زمینه‌ساز تحقیقات گستردهای شد که منجر به کشف کدهای متنوع و قدرتمند جدیدی گردید، و بسیاری از آن‌ها در پیادهسازی سیستمهای مخابراتی مدرن امروزی به کار میروند

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *