Файл: История техники связи.pdf

ственных, академических и инвестиционных организаций. Он, заслуженный профессор ЮКУ, продолжал преподавать на факультете, готовящем инженеров-электриков и специалистов компьютерной техники.

Жена Витерби Аудри, математик по профессии, оказывала ему постоянную помощь и поддержку в его научной деятельности, являясь первым читателем и критиком его статей и книг, содействуя четкому изложению содержащихся в них идей.

Выдающийся ученый и инженер современности Эндрю Витерби получил международное признание. В 1978 г. он был избран членом Национальной инженерной академии, а в 1996 г. — членом Национальной академии наук США. Он — почетный доктор ряда университетов Франции, Италии, Израиля. За заслуги в развитии теории и техники связи он стал лауреатом Международной премии Общества Маркони. Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) ему были присуждены премии имени Александра Грэхема Белла и Клода Шеннона, а в Германии — премия имени Эдуарда Рейна. Крупнейшая японская телекоммуникационная компания NEC также отметила его премией. Кроме того, Национальная академия наук США наградила его почетной медалью Христофора Колумба.

Разработки новых систем связи и научные исследования

Сфера инженерной и научной деятельности Витерби необычайно широка и охватывает многие направления современной техники связи. Его научная, педагогическая и инженерная деятельность тесно переплетены. Важной чертой творчества Э. Витерби является то, что результаты его весьма глубоких научных исследований, внесших существенный вклад в теорию связи, всегда были направлены на решение конкретных инженерных проблем. Полученные им результаты сразу же находили практическое применение в новых системах связи, создаваемых под его руководством и с его участием. За полвека было выполнено много новых разработок, которые получили широкое распространение во всем мире.

Как уже упоминалось выше, первый период его деятельности как инженера начался в JPL, куда он попал сразу же после окончания МТИ и принял деятельное участие в разработке следящих систем управления ракетами и спутниками связи, важным элементом которых была система ФАПЧ. Он осуществлял руководство разработкой систем телеметрии и следящих систем управления ракетами в авиации, морских и сухопутных войсках, в которых применялась технология CDMA. Одним из преимуществ этой технологии является то, что системы с расширением спектра способны эффективно подавлять преднамеренные и непреднамеренные помехи, обусловленные действием других радиосредств, работающих в том же ча- стотном канале.

Начиная с 1960 г. в центре интересов Витерби оказываются научные исследования в области помехоустойчивости аналоговых и цифровых систем связи. Он изучает теорию кодирования и цифровых систем связи, пишет и успешно защищает в ЮКУ докторскую диссертацию. Но и в этот период он не прекращает инженерной деятельности, консультируя фирмы, разрабатывающие системы телеметрии и радиосвязи.

Âпериод до середины 60-х гг. Витерби исследует динамику процессов слежения за фазой и процессов захвата принимаемого сигнала в системах ФАПЧ в отсутствие шума,

àтакже весьма сложные вопросы статистической динамики этих систем, работающих в присутствии на их входе, помимо полезного сигнала, аддитивного гауссовского шума.

Â60-å гг. в спутниковых системах связи широко использовалась частотная модуляция (ЧМ). Важным элементом приемников ЧМ-сигналов были следящие демодуляторы, в качестве которых часто использовались системы ФАПЧ. Витерби принадлежат первоклассные теоретические исследования вопросов выбора оптимальных

фильтров в цепи обратной связи таких систем, определения их пороговых характери-

стик (зависимости ρ0 = f(ρ) — отношения сигнал/шум на выходе демодулятора от отношения сигнал/шум на его входе при небольших значениях ρ). Результаты имели большое практическое значение и использовались для проектирования следящих демодуляторов в спутниковых системах связи.

Âэтот же период Витерби выполняет исследования помехоустойчивости приема двоичных сигналов в каналах связи, в которых имеют место флуктуации фазы опорного генератора, используемого для синхронного детектирования принимаемых сигналов. Он исследует прием многопозиционных сигналов и публикует результаты по помехоустойчивости приема аналоговых сигналов в цифровых системах связи.

Научные результаты, полученные Витерби в этот период, развивают и дополняют те, которые были получены другими учеными — В.А. Котельниковым, В.И. Тихоновым, Г. Ван Трисом, К.В. Хелстромом и др. Эти результаты Витерби вошли в его первую книгу.

Труднопреодолимым препятствием в применении корректирующих кодов в системах связи в 60-е гг. была значительная сложность декодеров. В 1966 г. начался второй период деятельности Витерби. Он находит и теоретически исследует новый, весьма эффективный алгоритм декодирования сверточных кодов, который вскоре нашел широкое применение при создании различных систем связи. В отличие от разработанных ранее, он позволял достичь максимально возможной помехоустойчивости декодирования и обеспечить достаточно простую реализацию декодера. Это стимулировало появление многочисленных работ по созданию простых в реализации декодеров, в которых обеспечивается прием сообщений по методу максимума правдоподобия.

Следует, однако, отметить, что в 1967 г., когда был опубликован алгоритм Витерби, еще никто не думал о возможности его практической реализации. По оценке самого Витерби, для этого потребуются тысячи регистров. Всего через год его коллега Дж. Хеллер доказал, что нужны всего 64 регистра. В те годы устройство с таким числом регистров должно было представлять собой большую стойку. Прогресс в области микроэлектроники продолжал идти быстро, и сейчас для реализации алгоритма Витерби требуется только небольшая микросхема.

Инженерная интуиция Витерби позволила ему на ранней стадии оценить перспективность внедрения разработанного им алгоритма в системах связи разного назначения. Компания Linkabit в 1965 г. заключила свой первый контракт с Электронной лабораторией военно-морского флота в Сан-Диего на разработку устройства помехоустойчивого кодирования для систем связи морского флота. Позже аналогичное устройство разрабатывалось для Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА). В 1969 г. для НАСА был разра-

ботан действующий макет кодера-декодера Витерби, а в 1970 г. — программное обеспечение. В том же году был разработан модем на скорость 1200 бит/с для системы коротковолновой связи, в котором для передачи сообщений применялись широкополосные сигналы. В 1973 г. в компании была изготовлена первая микросхема — сигнальный процессор, реализующий алгоритм Витерби.

После публикации работы Витерби появились многочисленные исследования, направленные на нахождение эффективных сверточных кодов, определение достижимой помехоустойчивости их приема и оптимизации параметров. На основании алгоритма Витерби различные компании стали производить декодеры сверточных кодов для систем передачи информации со скоростью передачи от единиц килобит в секунду до сотен мегабит в секунду. В течение многих лет в спутниковых цифровых системах связи, в частности в геостационарных системах, использовались преимущественно сверточные коды с декодером Витерби. Применение сверточного кода с длиной кодового ограничения К = 7 и со скоростью 1/2 (эта скорость показывает, какую часть цифрового потока, передаваемого по каналу связи, составляет информационный поток) позволяет на 5 дБ (в три раза) снизить мощность расположенного на спутнике связи передатчика, которая необходима для приема сигналов с высоким качеством. Это дает возможность, в частности, существенно сократить размеры передающей или приемной антенн в системе спутниковой связи и повысить ее экономическую эффективность.

В последние годы в спутниковой связи (в системах непосредственного спутникового вещания и в системах с приемными антеннами с малой апертурой — в системах VSAT) использование сверточных кодов, декодируемых с помощью алгоритма Витерби, дополняется применением кодов Рида—Соломона. Два метода кодирования используются совместно в каскадных кодах. Обычно на первом этапе информация кодируется с помощью кода Рида—Соломона, а затем применяется сверточное кодирование. На приеме первый этап декодирования основан на применении декодера Витерби, а затем используется декодер Рида—Соломона.

Компания Linkabit разрабатывала оборудование для коррекции ошибок в каналах связи для правительства, цифровые модемы спутниковой связи, реализованные на микропроцессорах, командные линии связи для управления бомбардировщиками военно-воздушных сил США и другое радиотехническое оборудование.

В 1972 г. крупный американский ученый Д. Форни опубликовал в 3-м номере журнала IEEE Transaction on Information Theory результаты исследования, которое показало возможность использования алгоритма Витерби для подавления межсимвольной интерференции в каналах связи. Это научное направление также получило существенное развитие. На основе таких исследований многими фирмами были созданы соответствующие устройства — эквалайзеры, позволяющие подавлять межсимвольную интерференцию в высокоскоростных каналах связи, в которых временные задержки приходящих в место приема сигналов могут охватывать до нескольких десятков символов.

Опыт разработки цифровых систем связи, который был накоплен в компании Linkabit, нашел отражение во второй книге Витерби «Принципы цифровой связи и кодирования», написанной им в 1973 г. вместе с коллегой по университету известным американским ученым профессором КУ Джимом Омурой. В этой книге были рас-

смотрены многие практические вопросы применения в системах связи блочных и сверточных кодов, включая создание простых декодеров, ряд вопросов теории кодирования источников информации — теории преобразования аналоговых сигналов в цифровой поток с наименьшей погрешностью.

В 1980 г. в компании Linkabit были начаты работы по созданию систем спутниковой связи, оснащенных приемными антеннами с малой апертурой (системы VSAT). Создание таких систем дало большой коммерческий эффект, и они получили широкое распространение во всем мире. В этих системах была применена технология передачи и приема сообщений, которая ранее использовалась только в военных спутниковых системах. Развертывание работ в этом направлении имеет любопытную историю. В середине 70-х гг. одна из крупнейших американских телекоммуникационных компаний — AT&T заключила контракт с шахом Ирана по созданию телекоммуникационной инфраструктуры страны. Предполагалось, что будут в основном использованы системы спутниковой связи. Вследствие произошедшей в Иране в марте 1979 г. революции компания AT&T собиралась свернуть начатые работы. Витерби предложил менеджеру компании завершить ее. Это предложение было принято, и в начале 80-х гг. в компании Linkabit началась разработка оборудования, явившегося прототипом систем VSAT, и компания приступила к реализации еще одного коммерческого проекта — создания устройства для скремблирования телевизионного сигнала, что весьма важно для систем непосредственного спутникового телевизионного вещания. Вначале было разработано специальное устройство засекречивания ТВ-сигнала по заказу компании M/A-COM, которое осуществляло его полное преобразование в цифровую форму. Однако это устройство оказалось весьма сложным и стоило несколько тысяч долларов США, что для массового пользователя неприемлемо. Более простое устройство, основанное на случайном изменении полярности ТВ-сигнала каждой строки, стоимость которого составляла всего несколько сот долларов, было разработано позднее. Для этого была создана специальная интегральная схема — сигнальный процессор. Устройства скремблирования ТВ-сигналов получили широкое распространение и применяются в системах непосредственного спутникового ТВ-вещания, обслуживающих миллионы абонентов.

Третий период деятельности Витерби начался весной 1985 г., когда он вместе с Джекобсом основали компанию Qualcomm. Вначале компания имела всего несколько правительственных заказов на разработку систем связи для сухопутных, военно-мор- ских и военно-воздушных сил. Это были системы телеметрии и системы двусторонней связи для самолетов, танков и других подвижных платформ.

Позже в компании разрабатывался ряд научных программ, в которых рассматривались возможности создания спутниковых военных систем связи на основе использования множества спутников, расположенных на низких орбитах. Заказчик этих работ — компания Ford Aerospace отказалась от этих проектов, предпочтя создание геостационарных спутниковых систем связи. Однако идеи, выдвинутые специалистами компании Qualcomm, позже нашли применение при создании глобальных систем подвижной связи. Эти проекты явились, в частности, прототипом глобальных спутниковых систем подвижной связи Iridium и Globalstar.

Глобальная сеть спутниковой подвижной связи Globalstar, состоящая из 48 спутников, создана и осуществляет связь с существующими наземными телекоммуникационными системами. В ней используется цифровая технология CDMA. Она позво-