dizertační práce

Studium vlivů frekvenčních nestabilit oscilátorů v družicových komunikačních systémech

Text práce 2.25 MB Teze 556.14 kB

Autor práce: Ing. Ondřej Baran, Ph.D.

Ak. rok: 2010/2011

Vedoucí: prof. Ing. Miroslav Kasal, CSc.

Oponenti: prof. Ing. Igor Baláž, DrSc., Ing. Jan Šimša, CSc.

Abstrakt:

Dizertační práce se zabývá studiem vlivu současného působení aditivního tepelného šumu a multiplikativního fázového šumu na přenos užitečného signálu prostřednictvím úzkopásmových družicových komunikačních systémů. Zatímco aditivní tepelný šum ovlivňuje užitečný signál pouze na přijímací straně komunikačního systému, multiplikativní fázový šum je produkován ve všech oscilátorech systému. Je zkoumáno, jak se redukce šířky pásma filtru přijímače projeví na vlivu jednotlivých typů šumů. Práce je obsahově rozčleněna do čtyř samostatných celků. První část (kapitoly 4 a 5) řeší způsoby modelování obou typů šumů. Ve druhé části (kapitola 6) je na jednoduchém příkladě proveden prvotní rozbor vlivu fázového šumu. Jsou zde také diskutována základní modulační schémata používaná v družicové komunikaci (kapitola 7). Třetí část (kapitola 8) je věnována modelování obecného digitálního systému s M-PKS modulací přímo na hlavní nosnou vlnu. Poslední celek (kapitola 9) popisuje modelování digitálního systému s BPSK modulací na pomocnou subnosnou vlnu, s následnou SSB modulací na hlavní nosnou vlnu. Ze získaných výsledků simulací jsou vyvozeny obecné závěry.

Klíčová slova:

Aditivní tepelný šum, AWGN, multiplikativní fázový šum, Allanovy variance, modulace M PSK, modulace SSB, subnosná vlna, chybovost přenosu BER, šumová šířka pásma, pásmová propust, dolní propust, FIR, analytický signál, komplexní obálka, Ansoft Designer, Matlab.

Termín obhajoby

5.5.2011

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaPznamka

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní obor

Elektronika a sdělovací technika (PP-EST)

Složení komise

prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida (předseda)
Prof. Ing. Igor Baláž, DrSc. - oponent (člen)
Ing. Jan Šimša, CSc. - oponent (člen)
Prof. Ing. Miloš Mazánek, CSc. (člen)
doc. RNDr. Jan Voves, CSc. (člen)
Prof. Ing. Zbyněk Škvor, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Láčík, Ph.D. (člen)

STANOVISKO ŠKOLITELE K DISERTAČNÍ PRÁCI
Ing. Ondřeje Barana


STUDIUM VLIVŮ FREKVENČNÍCH NESTABILIT OSCILÁTORŮ V DRUŽICOVÝCH KOMUNIKAČNÍCH SYSTÉMECH

Úvod. Předložená disertační práce je věnována aktuálnímu tématu – současnému působení aditivního šumu a multiplikativního fázového šumu v komunikačních systémech. V případech kdy je přijímaný signál velmi slabý, jako jsou družicové komunikační systémy a nebo příjem signálů ze vzdáleného vesmíru, se nedostatečnost energetické bilance spoje řeší redukcí šířky pásma. V této souvislosti si doktorand položil fundamentální otázku jak se projevuje multiplikativní šum v systému s redukovanou šířkou pásma a zda existuje mezní šířka pásma při které by multiplikativní fázový šum začal převládat.
Originalita řešení. Doktorand vytvořil velmi podrobné simulátory pro komunikační systémy s fázově klíčovanou nosnou i pro systém pracující s klíčovanou subnosnou. Velmi pečlivě ověřoval jejich chování na známých řešeních a až po jejich ověření začal simulátory používat pro vyšetřování specielních případů s extrémně redukovanou šířkou pásma. Ukázala se při tom celá řada zajímavých efektů a především kvantitativních hodnocení signálů v těchto případech. Tyto výsledky jsou zcela jistě původní a vysvětlují chování komunikačních systémů za výše uvedených podmínek. 
Publikování výsledků práce. Podstatné části předkládané práce byly publikovány v impaktovaném časopise Radioengineering a na několika významných konferencích. Školitel doufá, že s použitím vytvořených simulátorů vzniknou ještě další výsledky vhodné k publikaci.
Formální zpracování. Práce má nebývalý rozsah a jako celek je zpracována na velmi dobré úrovni.
Závěr. Jako školitel jsem ze spolupráce s Ing. Baranem měl potěšení. Nejenže přicházel s originálními nápady při velmi dobré stálé invenci ale ukázal se i jako pečlivý, trpělivý a pracovitý výzkumník. Jsem toho názoru, že předkládaná disertační práce má velmi dobrou úroveň a je v dané vědní oblasti přínosem. Proto ji, jako doktorandův školitel, doporučuji k obhajobě.


V Brně dne 30. dubna 2011

Prof.. Ing. Miroslav Kasal, CSc.
Soubor vložený vedoucím Velikost
Posudek vedoucího práce [.pdf] 89.51 kB




Prof.Ing.Igor Baláž,DrSc.,Katedra rádioelektroniky FEI STU Bratislava






Posudok na dizertačnú prácu

„Studium vlivů frekvenčních nestabilit oscilátorů v družicových komunikačních systémech“

                                      autor práce:Ing.Ondřej Baran


Dizertačná práca p.Ing.O.Barana ,ktorú som obdržal na posúdenie, je pomerne značne rozsia-hle dielo, ktoré autor rozčlenil do 10 kapitol a spolu s prílohami obsahuje úctyhodných 155 strán.Spolu s dizertačnou prácou mi boli poskytnuté aj ďalšie materiály:
-skrátená verzia PhD thesis
-CD dizertačnej práce
-3 vybrané publikácie Ing.O.Barana (v spoluautorstve so školiteľom prof.M.Kasalom).

1.K rozboru súčasného stavu problematiky a zvoleným cieľom dizertácie 
     V rozbore súčasného stavu sa autor venuje najmä vyjadreniu a hodnoteniu krátkodobej a dlhodobej stability oscilátorov,obyčajným a modifikovaným Allanovým varianciám a uvádza aj ďalšie spôsoby štatistického spracovania časových závislostí fluktácií frekvencie generovaných signálov (Hadamardove variancie a variancie Theo1).
Ďalšia časť tejto kapitoly je venovaná meraniu frekvenčnej stability oscilátorov.Pri formulovaní cieľov dizertácie si autor kladie úlohu vytvoriť model signálu oscilátora degradovaného fázovým šumom, so všetkými jeho základnými komponentami.Taktiež chce skúmať vplyv redukcie šírky pásma na veličinu SNR v prítomnosti ako tepelných tak aj fázových šumov.V závere tejto časti deklaruje ako cieľ vytvorenie modelu komunikačného systému s fázovo-kľúčovaným nosným signálom zohľadňujúcim uvedené typy šumov.
     Hodnotiac túto časť dizertačnej práce  dospel som k názoru, že uvedený rozbor súčasného stavu problematiky je dosť nevyvážený z nasledujúcich dôvodov:
-neobsahuje publikácie venované modelovaniu komunikačných reťazcov,ich komparáciu s kritickým hodnotením pozitívnych a negatívnych prístupov a následné zdôvodnenie zvolenej orientácie dizertačnej práce
-v dizertačnej práci nie sú  uvádzané niektoré fundamentálne publikácie venované digitálnym satelitným komunikáciám (napríklad :J.J.Spilker,Jr.:Digital Communications by Satellite,Prentice-Hall,Inc. alebo G.Maral,M.Bousquet:Satellite Communications Systems) ale aj  skúmaniu vplyvu fázových šumov na nestabilitu frekvencie oscilátorov (napríklad publikácie v rámci IEEE UFFC ale aj ďalších IEEE Transactions), ktoré by určite prispeli k zdôvodneniu cieľov dizertácie .




-2-

     Odhliadnuc od týchto poznámok  považujem námet dizertačnej práce  za dizertabilný avšak formulácia cieľov mala byť precíznejšie a jasnejšie deklarovaná.

2.K pôvodným prínosovým častiam
     Prínosom zvoleného postupu pri modelovaní pôsobenia šumov v komunikačnom systéme by som videl v spôsobe vytvárania priebehu šumových výkonov v závislosti na šumovej šírke pásma filtra prijímacieho zariadenia.Na základe ich porovnávania autor určuje medznú šumovú šírku pásma filtra kedy dochádza k vyrovnaniu vplyvu termálnych a fázových šumov.Tento prístup potom aplikuje cez systém priamej modulácie dát pomocou M-PSK na hlavný nosný signál a na :
-model s BPSK moduláciou
-pomocný subnosný (nízkofrekvenčný) signál s následnou moduláciou na vysokofrekvenčný nosný signál.
      Tieto prínosy sú predošetkým obsiahnuté v kap.8 a kap.9.

3.K publikačným aktivitám autora
      K hodnoteniu publikovania podstatných častí dizertačnej práce som mal k dispozícii tri vybrané články autora:
1. „Study of Oscillators Frequency Stability in Satellite..“, ( RAST2009,Istanbul)“.
2. „Modeling of the Phase Noise in Space ...“ ,(Radioengineering,April 2010) .
3. „Modeling of the Simultaneous Influence of the ...“, (Radioengineering,December 2010).
    Autor publikoval ešte ďalšie články, ich reprinty som síce neobdržal ale aj z uvedeného sa dá konštatovať, že jadro dizertačnej práce bolo publikované. 
       Publikácia No.1 bola v Proceedings medzinárodnej konferencie RAST ,ďalšie dve publikácie sú časopisecké.Radioenineering je v súčasnosti dostatočne renomované fórum, so solídnym IF.
       Zo zoznamu vedeckej činnosti uchádzača ako aj obsahovej náplne vybraných publikácií  vyplýva, že sa jedná o pracovníka s veľmi dobrou vedeckou erudíciou. Jeho publikačná aktivita je svojim rozsahom primeraná.

4.Ďalšie poznámky a otázky k dizertačnej práci
    
    1.Aké kvantitatívne závery a odporúčania môže autor urobiť pre realizáciu a vylepšenie satelitných komunikačných systémov na základe jeho analýz pôsobenia šumov ?
    2.Čím sa líši modelovanie fázového šumu v satelitných a terestrických digitálnych komunikačných systémoch (stacionárnych aj mobilných) z pohľadu použitých prístupov autora ?
    3.V komunikačnom reťazci existujú  nelineárne prvky,systémy .Je ich vplyv ,spojený s nelineárnymi procesmi pri spracovaní signálov a pri modelovaní (napríklad kap.8. a obr.8.1.,obr.8.2.), tak zanedbateľne malý ? Pokúste sa porovnať s prístupom v  dizertácii  J. Mukherjee: „General Non Linear Perturbation ...“,Ohio State University,2006.
    4.Prečo neboli zohľadňované aj ďalšie faktory, ktoré  pôsobia na reálny komunikačný kanál pri satelitných systémoch ? Nie je prenosový systém (str.33,obr.6.1.) značne zjednodušený ?




-3-

    5.Aký má  autor názor na reálny experiment ,ktorým by mohol verifikovať niektoré deklarované výsledky simulácií ?  
      Tiež by som chcel poznamenať, že  AVČR ÚRE ( bývalý Ústav Radiotechniky a Elektroniky) dosahoval vynikajúce výsledky ako v teoretickej a experimentálnej oblasti skúmania vplyvu fázových šumov na nestabilitu oscilátorov,tak aj v publikačnej činnosti. Zdá sa ,že autorovi tento fakt trochu unikol.


                                                        Záver

     Dizertačná práca sa nezaoberá iba vplyvom frekvenčných nestabilít oscilátorov na satelitné komunikácie tak ako je to uvedené v jej názve ale jej záber bol v analýzach a simuláciách podstatne širší.Z tohto hľadiska sa ciele dizertácie, v porovnaní so súhrnom dosiahnutých výsledkov javili ako podstatne skromnejšie.
     Autor zvoleným prístupom a použitými metódami modelovania a skúmania nielen frekvenčných nestabilít oscilátorov na vlastnosti satelitných komunikačných systémov, ale aj posudzovaním šírky pásma filtrov na chybovosť,simuláciami chybovosti prenosu BER pri zmene ofsetu subnosných signálov a pod., preukázal schopnosť riešenia vedeckých problémov a jeho dizertačná práca odpovedá všeobecne prijatým požiadavkám na udelenie akademického titulu

                                                               PhD.



Bratislava,07.04.2011

Posudek oponenta
Ing. Jan Šimša, CSc.

Posudek na disertační práci
Baran, O.:
Studium vlivů frekvenčních nestabilit oscilátorů v družicových komunikačních systémech
Ústav radioelektroniky
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií  VUT v Brně, Brno 2011

    Předložená práce je zaměřená na studium vlivu fázových šumů oscilátorů v úzkopásmových komunikačních systémech na parametry přenosu takových systémů. Studované fázové šumy jsou  výsledkem fázové nestability použitých oscilátorů. Práce je zaměřena na studium vlivu krátkodobých nestabilit, které na rozdíl od nestabilit dlouhodobých lze eliminovat pouze zvyšováním kvality oscilátorů, což od určité meze znamená exponenciální růst ceny takových oscilátorů. Současně se v práci uvažuje i vliv aditivního šumu komunikačního kanálu, který však zpravidla nebývá v družicových komunikačních systémech dominantní.
    Cílem disertace bylo
-    Vytvořit model signálu degradovaného aditivním i multiplikativním šumem
-    Tento model aplikovat při studiu vlivu redukce šířky pásma na změny SNR v systému. Zaměřit se na přenosy využívající digitálních modulací PSK harmonické nosné.
-    Ověřit hypotézu, že při zmenšování šířky pásma komunikačního systému roste vliv fázového šumu a klesá vliv aditivního bílého gaussovského šumu kanálu.
-    Vyšetřit vliv obou složek šumu v případě fázového klíčování subnosné vlny v závislosti na šířce pásma a frekvenční vzdálenosti subnosné od nosné vlny.


    Problematika vlivu fázových šumů oscilátorů na parametry přenosu digitálních signálů je problematika živá, která je v centru zájmů světových laboratoří. Analytické studium vlivu fázových šumů na činnost komunikačního systému je svou složitostí a nelineární povahou omezené na jednodušší modely.  Simulace  je v takové situaci nejpříhodnějším  a nejefektivnějším nástrojem studia úloh uvedeného charakteru.  Lze konstatovat, že zvolená metoda je optimální s ohledem na charakter studovaného problému a na vytýčené cíle.
    Práce je nadprůměrně rozsáhlá, je tvořena 155 stranami textu s obrázky. Po třech úvodních kapitolách, shrnujících současný stav řešení problematiky a formulujících cíle problematiky,  je ve čtvrté kapitole popsáno modelování harmonického signálu s fázovým šumem. Kapitola pátá je zaměřena na popis aditivního šumu kanálu. V kapitole šesté je uveden popis modelovaného komunikačního systému a specifikovány vlivy fázového šumu reprezentujícího krátkodobou nestabilitu oscilátorů systému a aditivního bílého šumu kanálu. Jsou vyjádřeny signálové a šumové složky v jednotlivých uzlech typického blokového schématu systému z uvažované třídy komunikačních systémů. Dále je specifikováno nastavení použitého systémového simulátoru Ansoft Designer. Jsou uvedeny typické výsledky simulací a jsou porovnány s teoretickými výpočty. Toto srovnání vykazuje mimořádně dobrou shodu a svědčí o reprezentativnosti zvoleného modelu.
    V sedmé kapitole jsou popsána ta modulační schémata, která jsou nejčastěji používaná pro přenos družicové telemetrie, jsou to schémata modulace nosné a schémata, využívající modulace subnosné.
    Kapitola osmá se věnuje M stavovým klíčováním harmonické nosné. Jsou vyjádřeny signálové a šumové složky v jednotlivých uzlech blokového schématu systému a dále výsledky simulací. V souladu se všemi poznatky ukazují výsledky simulací, že se vzrůstajícím počtem stavů M citlivost chybovosti na krátkodobých fázových nestabilitách silně roste.
    Kapitola devátá je zaměřena na vyšetřování vlivu fázového šumu v systémech se subnosnými. Ukazuje se výrazná závislost šumových vlastností na frekvenci subnosné a na velikosti potlačení nosné vlny ve výstupním spektru modulátoru. Bohaté výsledky simulací opět vykazují překvapivě dobrou shodu s analyticky získanými hodnotami.
    Prosím, aby doktorand v diskusi zaujal stanovisko k následujícím otázkám:
1.    Uvažujete i vliv selektivních obvodů na procházející signály?
2.    Jak byly získány referenční „teoretické“ výsledky?
3.    Prosím o podrobnější vysvětlení obr. 6.6 a 8.6.
4.    Prosím o vysvětlení věty na s. 71:
„Za účelem dosažení maximálního poměru S/N  ....  je zapotřebí signál x´ vzorkovat vždy v polovině symbolové periody.“
    Ve vysvětlení přihlédněte ke zpoždění signálu při průchodu filtrem.


Lze konstatovat, že

-    předmět  disertace je z hlediska současného stavu vědeckého poznání vysoce aktuální

-    práce obsahuje původní části při tvorbě modelu komunikačního systému z vybrané třídy systémů, který obsahuje oscilátory se zahrnutými fázovými šumy.  Použitý model současně zahrnuje bloky modulace a demodulace.

-    jedná se o práci velice komplexní, rozsah práce je nadprůměrný. Výsledky simulací vykazují až překvapující shodu s teoretickými hodnotami.

-    podstatné části práce byly publikovány v časopisech a na prestižních konferencích.

Disertační práce a další výsledky dokumentují dobrou vědeckou erudici autora a dle mého názoru splňují beze zbytku obecně uznávané požadavky k udělení akademického titulu.

Proto doporučuji, aby pan Ing. Ondřej Baran byl pozván k obhajobě práce a v případě kladného výsledku obhajoby  mu byl udělen titul doktora v oboru Elektrotechnika a sdělovací technika.

V Praze 13. 4. 2011



                            Ing. Jan Šimša, CSc.
                       Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i., Praha