автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование устройств управления передачей информации на тональной частоте

.... с" у

На правах рукописи ЕЛЯГИН Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ НА ТОНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЕ

Специальности: 05Л3.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск - 1999

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете

Научный руководитель- кандидат технических наук,

доцент Николаенко В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кумунжиев К.В.,

кандидат технических наук, доцент Борисов С.Г.

Ведущая организация - Ульяновское отделение института

радиотехники и электроники РАН

Защита состоится « 19 » а/ДЯ 1999 г. в ¿Г часов на заседании диссертационного совета Д064.21.01 в Ульяновском государственном техническом университете по адресу:

432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32, ауд. №211.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_»_ 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Соснин П.И.

IШ 5-0//8 ~m.Sc, //¿Г о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные телекоммуникационные сети общего пользования обеспечивают передачу данных по низкоскоростным каналам, к которым относятся каналы тональной частоты (ТЧ), полоса пропускания которых ограничена диапазоном 300-3400 Гц Эксплуатация сетевого оборудования предполагает обязательное наличие системы управления ресурсами сети. Одной из задач системы управления является задача управления элементами сети (например, коммутатор). Коммутатор устанавливает соединение между сетевыми элементами, в качестве которых выступают индивидуальные рабочие места. Система управления распознает сетевые элементы и отрабатывает un. запросы.

Поскольку коммутация и дальнейшая передача информации осуществляется по однонаправленным трактам, то при работе с сетевыми элементами, использующими двунаправленный интерфейс, необходимо применение адаптера сопряжения двунаправленных каналов с однонаправленными. Наличие устройства сопряжения приводит к искажению сигнала обратного канала из-за паразитного сигнала просачивания с выхода прямого канала. Сигнал просачивания обусловлен отклонением входного сопротивления канала ТЧ от номинального, причем отклонение носит случайный характер.

Взаимодействие системы управления с сетевыми элементами обеспечивается посредством многочастотных управляющих сигналов ТЧ. Сигналы поступают в устройство управления коммутацией по обратному каналу. Таким образом, управляющие сигналы подвергаются линейным искажениям как в самих каналах, так и в устройстве сопряжения. Указанное обстоятельство приводит к ложному срабатыванию системы управления и ошибочной коммутации.

Таким образом, тема работы, посвященная разработке и исследованию устройств управления передачей информации на ТЧ с целью уменьшения влияния изменений параметров каналов ТЧ на качество работы систем управления передачей информации, несомненно, является актуальной.

Необходимо отметить два аспекта в разработке и исследовании устройств управления передачей информации на ТЧ:

1. разработка устройств управления обменом информацией между двунаправленной линией и однонаправленными;

2 разработка алгоритма обработки сигналов управления, претерпевших линейные искажения в каналах ТЧ.

Кроме того, на систему управления возлагается задача контроля функционирования элементов системы управления. Следовательно, необходимо дополнительно обеспечить контроль функционирования устройства сопряжения, причем косвенным образом будет осуществляться проверка параметров двунаправленной линии.

Целью работы является разработка и исследование устройств управления передачей информации на ТЧ. Разработка подобных устройств предполагает создание математической модели, связывающей управляемые величины с параметрами линий. Для достижения поставленной цели исследования проводились по следующим направлениям:

1. Исследование и развитие метода временного разделения при сопряжении узкополосной двунаправленной линии ТЧ с однонаправленными;

2. Разработка и исследование математической модели импульсного устройства сопряжения (ИУС) двунаправленной линии с однонаправленными на основе временного разделения;

3. Построение и исследование системы адаптации ИУС к разбросу импеданса каналов ТЧ;

4. Развитие теории двустороннего усилителя ТЧ на основе разработанной математической модели ИУС;

5. Разработка метода контроля функционирования ИУС с учетом импеданса канала ТЧ;

6. Разработка алгоритма обработки управляющих двухчастотных посылок, переданных по каналам с неравномерной амплитудно-частотной характеристикой, требующего минимальных временных и аппаратных затрат. Исследование устойчивости алгоритма к разбросу параметров обрабатываемых сигналов и воздействию шума.

Методы выполнения исследований. Теоретическая часть работы выполнена с использованием комплексного и операторного методов расчета, метода переменных состояния, методов теории управления и математической статистики. Теоретические исследования и анализ экспериментальных исследований проводились с использованием программных средств Mathcad (MathSoft Inc.) и в среде Turbo Pascal (Borland Inc.).

Достоверность полученных научных положений и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями.

Положения, выносимые на защиту:

1. По результатам теоретического анализа временного разделения разработан способ сопряжения двунаправленной узкополосной линии с однонаправленными, дополнительно использующий принудительное формирование знакопеременного переходного процесса и процедуру интегрирования напряжения обратного канала. Характер переходного процесса не влияет на процесс сопряжения;

2. На основе анализа разработанной математической модели ИУС показано, что наличие оптимального шага дискретизации позволяет повысить подавление сигнала просачивания при конкретном сопротивлении двунаправленной линии; также показано, что путем

изменения шага дискретизации осуществляется адаптация МУС к активной составляющей сопротивления двунаправленной линии, причем критерием, настройки является равенство нулю постоянной составляющей напряжения просачивания Формирование сигнала, близкого к копии напряженна обратного канала с последующим ттх вычитанием позволяет дополнительно повысить подавление напряжения просачивания, а, следовательно, уменьшить искажения передаваемой информации;

3 Показано, ч го контроль функционирования МУС осуществляется по величине коэффициента отражения относительно номинального сопротивления, который численно равен амплитуде напряжения обратного канала за вычетом константы при заданном контрольном сигнале прямого канала;

4. Показано, что построение двустороннего усилителя ТЧ на базе двух ИУС и двух односторонних усилителей ТЧ обеспечивает компенсацию затухания в каналах ТЧ. Разделение направлений передачи осуществляется на частоте дискретизации, а усиление входных сигналов - в диапазоне ТЧ. В предлагаемом двустороннем усилителе ТЧ осуществляется раздельная автоподстройка каждого ИУС к соответствующему двунаправлепттому участку;

5 Показана возможность применения разработанного алгоритма распознавания двухчастотных посылок для спектрального анализа дискретного входного сигнала. При определении амплитуды произвольной спектральной составляющей, выполняются две операции умножения. Решение о наличии в принятой реализации конкретной спектральной составляющей принимается на основе сравнения амплитуды спектральной составляющей с порогом.

Научная новизна. Впервые разработан способ сопряжения узкополосной двунаправленной линии с однонаправленными, основанный на временном разделении работы прямого и обратного каналов. Способ дополнительно использует эффект принудительного создания знакопеременного переходного процесса и процедуру интегрирования напряжения обратного канала. Новизна предложенного способа подтверждена патентом.

На основе предложенного способа обоснована возможность адаптации ИУС к параметрам двунаправленных линий путем изменения шага дискретизации по критерию равенства пулю постоянной составляющей напряжения просачивания, что соответствует минимальному напряжению просачивания и минимальным искажениям передаваемой информации. Адаптация обеспечивается без измерения сопротивления линии.

Разработан метод контроля функционирования ИУС по величине коэффициента отражения, которому противопоставляется амплитуда напряжения обратного канала.

На основе математической модели ИУС проведено развитие теории двустороннего усиления сигналов ТЧ, с целью компенсации энергетических потерь в линиях передачи. Предлагаемый двусторонний усилитель по принципу построения объединяет метод коммутации направления усиления и метод, осуществляющий переход с двунаправленного участка на однонаправленные.

Разработан алгоритм цифровой обработки управляющих сигналов, позволяющий произвести спектральный анализ в ограниченном частотном диапазоне, выполняя две операции умножения для получения амплитуды спектральной составляющей.

Практическая ценность. По результатам теоретических исследований разработаны и изготовлены следующие устройства:

- импульсное устройство сопряжения, позволяющее обеспечить необходимое подавление сигнала просачивания для качественного сопряжения двунаправленной линии с однонаправленными с обеспечением адаптации к параметрам линий. Приоритетность устройства подтверждена патентом. Устройство внедрено в производство;

- импульсная схема определения полного частотно-зависимого сопротивления, позволяющая определить модуль полного сопротивления по амплитуде напряжения канала приема и активную составляющую полного сопротивления по оптимальному шагу дискретизации. Схема может быть использована в составе аппаратуры контроля за параметрами линий и ИУС;

- двусторонний усилитель ТЧ, позволяющий скомпенсировать затухание сигналов в линиях и обладающий способностью адаптации к параметрам обоих двунаправленных окончаний. Устройство внедрено в опытно-конструкторские разработки.

Кроме того, по разработанному алгоритму составлена программа распознавания двухчастотных посылок, позволяющая снизить вычислительные затраты и обеспечить стопроцентное распознавание управляющих сигналов при перекосе амплитуд до 4 дБ. Программа внедрена в производство.

Апробация работы, приоритетность и публикации. Приоритетность работы подтверждена двумя патентами на изобретение, выполненными в соавторстве. Основные результаты доложены на XXXI и XXXII НТК (Ульяновск, 1997, 1998), II и III Всероссийской НТК «Методы и средства измерений физических величин» (Н. Новгород, 1997, 1998), Научно-практической конференции с международным участием «Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике» (Ульяновск, 1997), международной НТК «Нейронные, реляюрные и непрерывнологические сети и модели» (Ульяновск, 1998).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературных источников, заключения и приложений. Работа выполнена на 159 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и б таблиц. Список литературных источников составляет 96 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Внедеиис. Раскрывается актуальность темы, показано место разрабатываемых элементов в системе управления передачей информации, указываются цели и содержание поставленных задач, показана теоретическая II прикладная ценность полученных результатов, а также дано краткое описание глав.

Первая глава посвящена теоретическому исследованию применимости временного разделения для обеспечения перехода с узкополосной двунаправленной линии на однонаправленные. Стандартом предусматривается наличие трансформаторных окончаний на двунаправленных линиях связи, что исключает прямое применение временного разделения, из-за наличия переходных процессов в обмотках трансформатора, превышающих по длительности циклы коммутации. С целью подавления сигнала просачивания, вызванного переходным процессом, на входе двунаправленной линии формируется знакопеременный переходной процесс. Интегрирование в обратном канале данного напряжения приводит к значительному подавлению сигнала просачивания. Для корректировки амплитудно-частотной характеристики обратного канала используется звено с коэффициентом передачи Кд(го). Переходной процесс знакопеременной формы получается за счет включения между двунаправленной и однонаправленными линиями ЬС контура, который может быть выполнен как на'элементах с сосредоточенными параметрами, так и на индуктивности рассеяния и распределенной емкости трансформатора. Для получения знакопеременного переходного процесса достаточно, чтобы активная составляющая сопротивления нагрузки превышала характеристическое сопротивление ЬС контура, причем характер переходного процесса не важен. На основе предложенного способа разработано импульсное устройство сопряжения, функциональная схема, которого показана на рпс.1, где Ъ}\- импеданс двунаправленной линии; 81.82- ключи; т- шаг дискретизации; Ы,С!- индуктивность и емкость контура, Инт- интегратор с постоянной интегрирования тинт; &1- выходное сопротивление прямого канала; 112- входное сопротивление обратного канала.

Исследование модели проводилось по методу переменных состояния с использованием уравнений Кирхгофа в операторной форме с ненулевыми начальными условиями.

Двунаправленная ш — ,линия

с2(1).

Ы

С1

Я!

е1(0

Я2= 600 Ом

Прямой канал

Инт

Кд(©)

Цс

Обратный канал

Рис.1 Функциональная схема ИУС

На основе результатов расчета получены формулы, описывающие коэффициент приема, коэффициент передачи и коэффициент подавления как функции параметров ЬС контура и сопротивления нагрузки при оптимальном шаге дискретизации. Оптимальный шаг дискретизации Т соответствует режиму, при котором наблюдается наибольшее подавление сигнала просачивания. Шаг дискретизации удовлетворяет требованиям теоремы Котельникова и определяется только параметрами контура и активной составляющей Я сопротивления нагрузки

Т =

шбял/Псл

1п

я

-•ехр

+ 6.4

Я + Ш Я-Я1

(1)

Параметры импульсного устройства сопряжения:

- коэффициент приема Кпр(со) = и8/1Л = Кд^/^юхинт = 1, при Кд(со)^2©тинх;

- коэффициент передачи КПд(]<в) = 1Л/Е1, где Е1- амплитуда напряжения источника прямого канала;

- коэффициент подавления К5(¡со) = Ш/Цб = Е1 • КПд(кд)Д/з, при передаче.

Ниже приведена математическая модель ИУС, получаемая по результатам расчета по методу переменных состояния:

+ I Я1 + Я + ]х'2'

КпдО©)=:

(2)

где Х- реактивное сопротивление нагрузки.

Коэффициент подавления при оптимальном шаге дискретизации Т, имеет наибольшее значение КвтО®)

К5Т0ш)=~Е1 • КпдОш) • ехр(^£) • [иет + икх + Их]-1, (3)

(4)

-

л/ЕТсГ Е1Н-Я

к!

н_ Я + Я1

•ехр

кг т и к.т '

Я1-5Я^ Я-И

Я1 Я + Я1

л/ПсГ Е1н-Ш

икт = - -г.---;г • ехР

к 2

и

Я + Ш Е1Т

А. И

яГ V с!

0.4 ИТ

ш

сс

! ч ¡«С • (К1 + К) Я1 + К еХр' 'о

Л + Ш

У.хт.

Е1н- .коЬ 0.4

хрО^),

(6)

(Г)

Ш + К + .коЬ Ш + Я где и^т, Укт и Дх~ комплексные амплитуды напряжений и^(1), пк(1) и ИхО), соответственно, сумма которых образует напряжение просачивания пх(0, Ь ! ! И единичная амплитуда напряжения прямого канала; к 1 =8. 14-Ю"3[с-Ом/рад], к2=4 •10" [с/рад]; И. С, Т.,- параметры нагрз'зтетг. Экспоненциальный множитель в выражении (3) учитывает дифференциатор в тракте обратного канала. Комплексная амплитуда 12х при емкостной нагрузке рассчитывается по формуле (6), а при индуктивной нагрузке - по формуле (7). Соответствие математической модели экспериментальным наблюдениям проверяется по критерию знаков с использованием статистики Фишера, что позволяет сделать вывод об отсутствии систематической ошибки в модели.

На предложенный способ и реализованное на его основе устройство получены патенты.

Во второй главе исследовано ИУС в режиме расстройки, т.е. при отклонении шага дискретизации т от оптимального Т. Режим расстройки характеризуется появлением в сигнале просачивания постоянной составляющей. Составлена математическая модель ИУС сопряжения при расстройке:

- комплексная амплитуда напряжения просачивания в режиме расстройки Ц.ч(т)

У.в м = У X + и КТ + и N (Т) • ехр[] ■ ф(т)],

|ио(тр

и,

их(т) = 1ио(т) + иет.ехр|

(3)

(9)

' N1 У

(10)

где им(т)- амплитуда напряжения имО) при расстройке; <р(т)- фазовый сдвиг между н^О) и иь<0К Ух комплексная амплитуда напряжения 11х(0 формулы (6), (7);

- постоянная составляющая напряжения просачивания при шаге дискретизации т

/ Г, , --ч N

А М

т\с1

ио(т)= Е1 •

- 0.212 + 0.256 • arctg-т- 0.09 ■ ехр

(Н)

Разработана математическая модель ИУС в режиме разброса сопротивления нагрузки относительно номинального сопротивления. В

этом режиме ИУС имеет шаг дискретизации Т, оптимальный по отношению к нагрузке с номинальной активной составляющей К:

- комплексная амплитуда напряжения просачивания для сопротивления г Цз(г)

Ы 8 00 = И X + и кт + и н (г) • ехрУ • ф(г)],

' И(гГ

№Г ' еХР

и

(12) (13)

от у

ф(Г) =

агсБш

Ц0(г)

(14)

где иы(г)- амплитуда напряжения при активной нагрузке г и оптимальном шаге дискретизации Т для г=Я0; ф(г)~ фазовый сдвиг между ик(0 и

- постоянная составляющая напряжения просачивания при сопротивлении нагрузки г и0(г)

Ш(г)=

Е1н -к

Н

(15)

г + Я0

где к^с- коэффициент, учитывающий параметры IX контура, при Ь1=0,24мГн и С1=6,8нФ равен 0,21.

При индуктивной нагрузке ф(г) вычисляется по формуле

ф(г)=-

агсБШ

Ц0(г)"

я 2'

(16)

В моделях принято, что изменение амплитуды напряжения из(1) происходит по причине увеличения только напряжения

Анализ математической модели ИУС в режиме разброса сопротивления показывает, что отклонение активной составляющей входного сопротивления двунаправленной линии от номинального значения вызывает появление постоянного напряжения просачивания, которое может быть скомпенсировано путем изменения шага дискретизации, тем самым обеспечивается адаптация ИУС к разбросу активной составляющей сопротивления нагрузки. Отмеченное свойство позволило построить автоматическую систему регулировки нуля постоянного напряжения просачивания с использованием контрольного выходного сигнала. Теоретический анализ показывает, что ИУС обеспечивает подавление сигнала просачивания в диапазоне ТЧ от 10 до 26 дБ при работе с линиями различной длины. Используемые в настоящее время устройства сопряжения, построенные по дифференциальным схемам, обеспечивают подавление сигнала просачивания от 10 до 35 дБ.

Анализ математической модели ИУС в режиме разброса сопротивления нагрузки при работе с двунаправленными линиями различной длины, показывает однозначную зависимость фазового сдвига напряжения просачивания относительно напряжения прямого канала.

Установленная особенность позволила сформировать с помощью цепи корректировки сигнал, близкий к противофазному для-напряжения просачивания. Сложение полученного таким образом компенсирующего напряжения с напряжением обратного канала позволяет дополнительно повысить коэффициент подавления до 13-31 дБ в диапазоне ТЧ. Цепь корректировки состоит из звена с переменным коэффициентом передачи и дифференцирующей 11С цепи.

Разработанные системы автоматического регулирования имеют апериодический характер затухания переходного процесса управления. Остаточная ошибка в установившемся режиме равна нулю. Экспериментальное исследование системы автоподстройки нуля постоянного напряжения просачивания подтверждает правильность метода автоподстройки системы к разбросу сопротивления нагрузки путем изменения шага дискретизации на основе постоянного напряжения просачивания. Обе системы используют контрольный выходной сигнал и после настройки сохраняют постоянными свои параметры в течение работы с конкретной линией.

Теоретический анализ системы автоподстройки нуля постоянного напряжения показывает, что воздействие квазибелого шума или импульсной помехи с отношением сигнал-шум не хуже 6 дБ не оказывает влияния на процесс автоподстройки. Влияние шума выражается в уменьшении коэффициента подавления не более чем на 1 дБ и в появлении постоянной составляющей в напряжении просачивания в диапазоне ±14 мВ для контрольного сигнала частотой 900 Гц и амплитудой 1 В. Частота контрольного сигнала получена на основании оптимизации параметров ИУС по наибольшему коэффициенту подавления, при работе с линиями различной длины.

В третьей главе проведено исследование предлагаемого метода контроля ИУС по коэффициенту отражения при работе с конкретной линией. Для определения коэффициента отражения относительно номинального сопротивления Ко=600 Ом устанавливается шаг дискретизации, оптимальный для этого сопротивления, а импульсная схема нагружается на двунаправленную линию. Из измеренной амплитуды канала приема вычитается значение амплитуды при нагрузке Яо, полученная разность равна коэффициенту отражения К0. Таким образом, Ко связан с амплитудой напряжения обратного канала и^ следующим соотношением

¡КоНи5-ип)-(1, (17)

ип=иэт + икт, (18)

где с!=1 [В"1], слагаемые инт и 11кт рассчитываются по формулам (4) и (5) для сопротивления 11=11о. При измерении устанавливается выходное сопротивление канала приема и передачи Яо=600 Ом, а амплитуда источника гармонического сигнала 5,6 В, для ЬС контура со следующими параметрами Ь=0,24 мГн, С1—6,8 нФ.

При экспериментальных исследованиях определялось полное сопротивление двухполюсника с известными параметрами с последующим нахождением ошибки измерения. Ошибка измерения коэффициента отражения не превышает 10%. Характер исследуемого полного сопротивления определяется по знаку фазового сдвига напряжения обратного канала относительно выходного напряжения прямого канала. При положительном фазовом сдвиге сопротивление носит индуктивный характер, при отрицательном - емкостной.

Изменением частоты контрольного сигнала определяется коэффициент отражения линии на любой рабочей частоте. Установка шага дискретизации, оптимального для некоторого другого номинального сопротивления Ио, позволяет определить коэффициент отражения для нового номинального сопротивления, но при этом ошибка измерения повышается до 20%.

Следует отметить, что по полученной аналитической зависимости, связывающей оптимальный шаг дискретизации Т и активную составляющую К полного сопротивления линии может быть вычислена активная составляющая. Ошибка не превышает 6%.

В четвертой главе проведено развитие теории двустороннего усиления сигналов ТЧ на базе математической модели ИУС. Предлагаемый двусторонний усилитель по принципу построения объединяет метод коммутации направления усиления и метод, осуществляющий переход с двунаправленного участка на однонаправленные. Совместное использование двух методов стало возможно благодаря применению ИУС, осуществляющего переход с двунаправленного тракта на однонаправленные участки. ИУС характеризуется наличием непрерывного сигнала ТЧ в однонаправленных участках передачи сигналов. Таким образом, усиление входных сигналов производится в диапазоне ТЧ, что позволяет построить однонаправленные участки усиления сигналов на низкочастотных устройствах. Следовательно, двусторонний усилитель является совокупностью двух ИУС, образующих два односторонних участка и содержащих по одному одностороннему усилителю и полосовому фильтру ТЧ. Полосовой фильтр предназначен для повышения устойчивости двустороннего усилителя и для подавления сигналов в нерабочем диапазоне частот. Адаптация двустороннего усилителя к сопротивлению двунаправленной линии заключается в адаптации ИУС к соответствующим двунаправленным окончаниям. По топологии двусторонний усилитель представляет собой замкнутую систему, анализ устойчивости которой проводился по критерию Найквиста. Использование математической модели ИУС сопряжения и данных по реальным линиям связи позволило произвести построение амплитудно-фазовых характеристик двустороннего усилителя для различных длин линий связи и рассчитать коэффициент наибольшего двустороннего усиления, который достигает 16 дБ при запасе устойчивости в 10 дБ. Используемые в

настоящее время мостовые двусторонние усилители обеспечивают двустороннее усиление до 11 дБ при номинальных параметрах двунаправленных -линий. При экспериментальных исследованиях двустороннего усилителя в каналах ТЧ был получен коэффициент двустороннего усиления равный 13 дБ.

В пятой главе разработан алгоритм распознавания двухчастот-ных посылок, переданных по каналам ТЧ и подвергшихся линейным искажениям и воздействию шума. Процедура распознавания заключается в нахождении выборочной дисперсии выборочных средних, решетчатых функций. Решетчатые функции представляют собой одномерные массивы данных, размер которых равен длительности реализации входной последовательности Ь, определяемой длительностью двухчастотной посылки Ту и шагом дискретизации Т, а значения равны дискретным отсчетам входного сигнала, взятых через шаг повторения 8=2я/(соТ), ю- частота искомого сигнала. Остальные элементы массива равны нулю. Число решетчатых функций равно шагу повторения, поскольку начальные отсчеты в каждой последующей решетчатой функции смещены на один элемент дискретизации. Определяемая таким образом выборочная дисперсия представляет собой амплитудно-частотную характеристику С(со) селективного цифрового фильтра, реализованного по предложенному алгоритму

Я ¡N-1 ЙИ I

]=1 ¡к -0 | где ¡"Ч-Ту-оз/27Т- число периодов частоты о в посылке.

Исследование предложенного алгоритма проводилось путем машинного моделирования, при котором имитировались двухчастот-ные посылки и мешающие внешние воздействия. Анализ работы алгоритма показал, что ширина главного лепестка преобразования по уровню 6 дБ и максимальный уровень боковых лепестков совпадают с аналогичными параметрами дискретного преобразования Фурье с N отсчетами, и равны 1,21*2я/Ту и минус 13 дБ соответственно. Вычислительные затраты, связанные с нахождением спектральной составляющей, составляют две операции умножения на заранее известные коэффициенты.

Решение о наличии в принятой реализации конкретной частоты принимается по превышению амплитуды нормированной спектральной составляющей порогового значения.

Разработанный метод позволяет реализовать стопроцентное распознавание двухчастотных посылок с разбросом амплитуд до 4 дБ при шаге дискретизации 20 мке, длительности посылки 20 мс и однобитном квантовании. Следует отметить, что алгоритму свойственны ложные выбросы на частотах кратных со/п, где со - частотная составляющая сигнала, п-натуральное число.

Заключение:

1. На основе теоретического исследования временного разделения предложен способ сопряжения узкополосного двунаправленного канала ТЧ с однонаправленными линиями, дополнительно использующий процедуру формирования знакопеременного переходного процесса и процедуру интегрирования сигнала обратного канала. На основе предложенного способа разработано ИУС двунаправленной линии с однонаправленными. Разработана математическая модель ИУС. Показано, что устойчивость ИУС к разбросу параметров линий заключается в возможности адаптации к их сопротивлению путем последовательного изменения шага дискретизации и коэффициента передачи цепи коррекции. Показано, что: предложенный способ сопряжения не требует знания полного сопротивления линии, а процесс адаптации носит последовательный и однозначный характер; оптимальный шаг дискретизации не зависит от частоты передаваемого сигнала, а определяется параметрами ЬС контура и сопротивлением линии; характер переходного процесса не влияет на процедуру сопряжения; сопряжение обеспечивается для линий, имеющих активную составляющую сопротивления, превышающую характеристическое сопротивление ЬС контура. ИУС обеспечивает требуемые характеристики при передаче потоков информации;

2. Использование двух ИУС совместно с двумя односторонними усилителями позволяет построить двусторонний усилитель ТЧ для компенсации энергетических потерь в двунаправленных линиях. Разделение направлений передачи входных сигналов производится на частоте дискретизации, а усиление выполняется односторонними усилителями ТЧ в соответствующем направлении. Адаптация осуществляется отдельно к каждому двунаправленному участку. На основе математической модели ИУС проведено математическое моделирование двустороннего усилителя при работе с реальными двунаправленными линиями. Показана возможность обеспечения двустороннего усиления сигналов до 16 дБ, при сохранении запаса устойчивости равного 10 дБ. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают полученные теоретические результаты;

3. Обосновано применение предложенного способа сопряжения для обеспечения контроля работы ИУС и параметров двунаправленной линии по коэффициенту отражения. Показано, что коэффициенту отражения линии относительно номинального сопротивления, на которое настроена схема, противопоставляется амплитуда напряжения обратного канала. Ошибка определения коэффициента отражения для номинального сопротивления 600 Ом не превышает 10%. Характер сопротивления линии определяется величиной фазового сдвига между напряжением обратного канала и выходным напряжением прямого канала. Активной составляющей сопротивления противопоставляется шаг дискретизации;

4. Исследование разработанного алгоритма распознавания двухчастотных посылок показало, что распознавание двухчастотной комбинации с однобитным квантованием производится с вероятностью, равной единице, при длительности посылки 20 мс, шаге дискретизации 20 мкс, перекосе амплитуд не более ± 4 дБ, нестабильности частоты не более ± 0.25%. Воздействие шума с отношением сигнал/шум от 18 до 3 дБ или периодической помехи частотой 50 Гц с отношением сигнал/шум от минус 12 до 2 дБ приводит к увеличению допустимого перекоса амплитуд до ± 6.5 дБ и (+8 -г -1 1) дБ соответственно. Распознавание двухчастотной посылки с вероятностью равной единице при перекосе амплитуд до 4 дБ производится в случае превышения нормированной амплитуды спектральной составляющей порога Vo=0.252 В. Оптимальный шаг дискретизации лежит в интервале от 10 до 20 мкс. Распознавание двухчастотной комбинации с однобайтным квантованием производится с вероятностью, равной единице, при длительности выборки не менее 10 мс, шаге дискретизации не более 167 мкс и перекосе амплитуд не более ± 6 дБ;

5. На основе предложенного способа разработаны: ИУС со звеньями автоподстройки; двусторонний усилитель ТЧ; импульсная схема определения полного частотно-зависимого сопротивления. Составлена программа распознавания двухчастотных посылок

Приложения:

В приложения включены акты использования полученных результатов в производстве.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Елягин C.B., Николаенко В.А. Об одном алгоритме распознавания двухчастотных посылок // XXXI НТК: Тез. докл. - Ульяновск, 1997, 4.1. С.17-18.

2. Елягин C.B., Николаенко В.А. Устранение местного эффекта методом время-импульсного разделения каналов И XXXI НТК: Тез. докл. - Ульяновск, 1997, ч.1. С. 18-19.

3. Елягин C.B., Николаенко В.А. Программное распознавание частотнокодяровапных цифр в телефонной связи // II Всероссийская НТК «Методы и средства измерений физических величин»: Тез. докл. - Н.Новгород, 1997, ч.Н. С.93.

4. Елягин C.B. Способ сопряжения двухпроводной линии с че-тырехпроводной // НПК с международным участием «Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике»: Тез. докл. - Ульяновск, 1997, ч.1. С.70-71.

5. Елягин C.B. Модель измерения сопротивления линии П Международная НТК «Нейронные, реляторные и непрерывнологические сети и модели»: Тез. докл. - Ульяновск, 1998, ч.Ш. С.93.

6. Елягин C.B. Аппроксимационные выражения, связывающие параметры импульсного устройства сопряжения с импедансом нагрузки // III Всероссийская НТК «Методы и средства измерений физических величин»: Тез. докл. - Н.Новгород, 1998, 4.VIII. С.24-25.

7. Елягин C.B. Адаптация противоместной схемы с временным разделением к параметрам линий связи // XXXII НТК: Тез. докл. -Ульяновск, 1998,ч.1. С.68.

8. Елягин C.B. Двунаправленный усилитель // XXXII НТК: Тез. докл. - Ульяновск, 1998, ч,1. С.69.

9. Елягин C.B. Адаптивное импульсное устройство сопряжения двухпроводных и четырехпроводных каналов тональной частоты // Вестник УлГТУ. Сер. Приборостроение, электроника, энергетика. 1998. № 4. С.44-50.

10. Патент РФ №2122769 Н04М9/06, Н04В1/58. Способ сопряжения двухпроводной линии с четырехпроводной // Елягин C.B., Капитонов A.A., Николаенко В.А. Бюл. 1998, №33.

11. Патент РФ №2125769 Н04М9/06, Н04В1/58. Устройство сопряжения двухпроводной линии с четырехпроводной // Елягин C.B., Капитонов A.A., Николаенко В.А. Бюл. 1999, №3.

Подписано в печать 14.04.99. Формат 60x84/16. Бумага писчая.

Усл. печ. л.0,93. Уч.-изд. л.1,00. Тираж 80 экз. Заказ Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.

I / . -V- ч ^ , '

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЕЛЯГИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ НА ТОНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЕ

Специальности: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Николаенко В.А.

Ульяновск - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

лист

Введение .....................................................................................................................5

Актуальность темы..............................................................................................................................5

Краткий обзор литературы......................................................................................................В

Формулировка цели предпринимаемого исследования ....................10

Методы исследования ....................................................................................................................11

Структура диссертации ................................................................................................................13

Научная новизна, полученных результатов....................................................14

Практическая ценность, полученных результатов ................................15

Положения, выносимые на защиту..............................................................................16

Глава 1. Разработка и исследование методов перехода

с двунаправленной линии на однонаправленные . 18

1.1. Постановка задачи..................................................................................................................18

1.1.1 Используемые методы улучшения параметров

дифсистем..........................................................................................................................................22

1.2. Предлагаемый способ сопряжения ................................................................23

1.2.1. Коэффициент приема....................................................................................25

1.2.2. Коэффициент передачи..............................................................................30

1.2.3. Коэффициент подавления......................................................................39

Выводы к первой главе ..........................................................................................................54

Глава 2. Исследование методов адаптации импульсного устройства сопряжения к импедансу

двунаправленной линии ..................................................................57

2.1. Постановка задачи ....................................................................................................................57

2.2. Предлагаемый метод адаптации импульсного устройства сопряжения к импедансу

двунаправленной линии ..............................................58

2.2.1. Режим расстройки ..........................................................................................58

2.2.2. Режим разброса сопротивления нагрузки ..........................66

2.3. Система автоматической подстройки нуля постоянного напряжения просачивания..........................................................................................77

2.4. Система автоматического регулирования усиления ................82

2.5. Исследование воздействия шума на импульсное устройство сопряжения ....................................................................................................85

2.5.1. Анализ воздействия квазибелого шума..................................86

2.5.2. Анализ воздействия импульсной помехи ..............................87

Выводы ко второй главе..............................................................................................................89

Глава 3. Разработка и исследование метода контроля функционирования импульсного

устройства сопряжения .......................................................92

3.1. Постановка задачи........................................................................92

3.2. Импульсное устройство определения

полного сопротивления ....................................................................................................93

Выводы к третьей главе ................................................................................................................102

Глава 4. Развитие теории двустороннего усиления

сигналов тональной частоты........................................................104

4.1. Постановка задачи .............................................................................................................104

4.2. Методы осуществления двустороннего усиления........................105

4.2.1. Мостовые схемы без дифференциальных систем ... 105

4.2.2. Схемы, осуществляющие переход с двунаправленной линии на однонаправленные участки ....................................................................................................................106

4.2.3. Схемы, использующие коммутацию направлений усиления сигналов ............................................................................107

4.3. Предлагаемый двусторонний усилитель ..................................................108

Выводы к четвертой главе ........................................................................................................117

Глава 5. Разработка и исследование алгоритма

распознавания частотно-кодированных символов 118

5.1. Постановка задачи ...............................................................................................................118

5.2. Методы решения ........................................................................................................................120

5.3. Селективный цифровой фильтр ............................................................................122

5.4. Моделирование работы алгоритма ..............................................................130

5.5. Критерий принятия решения....................................................................................137

5.6. Сравнительный анализ ......................................................................................................138

Выводы к пятой главе ............................................................ 140

Заключение ........................................................................................................................................141

Библиографический список использованной литературы . 147

Приложения......................................................................................................................................156

Приложение 1. Акт о внедрении импульсного устройства сопряжения двухпроводной линии с

четырехпроводной ................................................................................157

Приложение 2. Акт о внедрении двустороннего

усилителя тональной частоты ..............................................158

Приложение 3. Акт о внедрении алгоритма

распознавания двухчастотных посылок ..................159

ВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Современные телекоммуникационные сети предоставляют потребителям широкий набор услуг, включая электронную почту, передачу факсимильных и голосовых сообщений, работу с базами данных, службу новостей и телеконференций [1]. Использование крупномасштабных сетей передачи информации общего пользования, построенных на основе электросетей общего пользования обеспечивает доступ к ресурсам сети любым пользователям [1]. Сегодня сети общего пользования обеспечивают надежную передачу данных по низкоскоростным каналам (например, сеть РОСПАК, имеющая статус федеральной сети общего пользования, все узлы сети РОСПАК расположены на предприятиях электросвязи) [1]. В качестве обозначенных каналов широко используются каналы тональной частоты, полоса пропускания которых ограничена диапазоном 300-3400 Гц [2]. Следовательно, полоса передаваемых сигналов также ограничена этим диапазоном.

Эксплуатация сетевого оборудования предполагает обязательное наличие систем управления ресурсами сети [3]. Задача систем управления передачей потоков информации по телекоммуникационным сетям заключается в поддержании функционирования сети связи в целом и ее отдельных элементов с целью предоставления потребителю услуг с заданным качеством и надежностью [3, 4].

Одной из задач системы управления является управление элементами сети (например, коммутатор) [3]. Коммутатор устанавливает соединение между сетевыми элементами, в качестве которых выступают индивидуальные рабочие места. Система управления распознает сетевые элементы и отрабатывает их запросы. На основе сиг-

налов управления система управления воздействует на коммутатор и обеспечивает потребителям доступ к ресурсам сети.

Построение телекоммуникационной сети на основе сети электросвязи приводит к тому, что роль коммутатора выполняет коммутационное оборудование узла электросвязи. Поскольку коммутация и дальнейшая передача информации осуществляется по однонаправленным трактам, то при работе с сетевыми элементами, использующими двунаправленный интерфейс, необходимо применение адаптера перехода с двунаправленных каналов на однонаправленные [5].

С учетом сказанного, обобщенная структурная схема системы управления приведена на рис.1. Наличие устройства перехода с двунаправленной линии на однонаправленные приводит к искажению сигнала обратного канала из-за наличия паразитного сигнала просачивания из прямого канала, что характерно для устройств данного класса [5, 6]. Устройство управления производит декодирование управляющих сигналов сетевых элементов, причем сигналы поступают по обратному каналу и, следовательно, подвергаются искажениям. Причем искажения обусловлены устройством сопряжения и каналами передачи. Таким образом, возможно ложное срабатывание устройства управления и ошибочная коммутация.

Кроме управления сетевыми элементами, система управления обеспечивает контроль их функционирования [3]. Данное обстоятельство напрямую связано с областью исследования специальности 05.13.05. Следовательно, необходимо обеспечить контроль функционирования устройств сопряжения. Качество работы, которых во многом определяется стабильностью параметров каналов тональной частоты. Каналы тональной частоты характеризуются большим разбросом параметров, который обусловлен существованием широкого класса линий связи, а также их протяженностью [5]. Наличие

Рис. 1. Обобщенная структура системы управления передачей информации

указанного контроля позволяет косвенным образом осуществить проверку двунаправленной линии на соответствие ее параметров.

Следовательно, в роли основного фактора, влияющего на качество работы устройства управления, выступает разброс параметров каналов тональной частоты.

Таким образом, тема данной работы, посвященная разработке и исследованию устройств управления передачей информации на тональной частоте с целью уменьшения влияния изменений параметров каналов тональной частоты на качество работы систем управления передачей информации, несомненно, является актуальной.

Необходимо отметить два аспекта в разработке и исследовании устройств управления передачей информации на тональной частоте:

1. разработка устройств управления обменом информацией между двунаправленной линией и однонаправленными;

2. разработка алгоритма обработки тональных сигналов управления, претерпевших линейные искажения в каналах тональной частоты.

Краткий обзор литературы

Основная проблема при сопряжении двунаправленной линии с однонаправленными - это подавление сигнала просачивания, который присутствует в обратном канале при передаче в двунаправленную линию сигнала с выхода прямого канала (рис.1). От степени подавления сигнала просачивания зависит правильность распознавания управляющих сигналов устройством управления, а также качество и дальность передачи сигнала. Знание параметров каналов тональной частоты в конкретном случае позволяет произвести соответствующую корректировку параметров передаваемых сигналов с целью оптимизации функционирования. При таком подходе возникает задача измерения параметров и характеристик каналов, что предполагает значительное повышение аппаратных и временных затрат [6]. По-

этому решение поставленной проблемы следует искать в разработке и исследовании устройств и методов обработки сигналов, устойчивых к разбросу параметров каналов тональной частоты. Следует также произвести исследование данных устройств и методов на возможность организации процедуры адаптации к разбросу параметров линий связи. Адаптация предполагает изменение параметров и характеристик устройств в соответствии с параметрами каналов тональной частоты. По изменениям параметров устройств можно произвести обратное противопоставление, позволяющее установить исправность каналов.

В настоящее время устройства сопряжения двунаправленных линий с однонаправленными используют дифференциальные системы, т.е. принцип вычитания синфазных сигналов, с целью получения нулевого сигнала просачивания, образующийся этой разностью [7, 8]. Точная синфазность сигналов достигается при условии равенства импеданса двунаправленной линии и полного сопротивления балансного контура дифсистемы. Качество сопряжения характеризуется коэффициентом подавления сигнала просачивания из прямого канала в обратный канал. Наличие сигнала просачивания обусловлено нарушением синфазности сигналов. Причем коэффициент подавления носит экстремальный характер и меняется от 35 до 10 дБ в рабочем диапазоне частот [6]. Следовательно, применение дифсистем в каналах тональной частоты требует учета разброса их параметров. Поскольку параметры сигнала просачивания зависят от параметров двунаправленной линии, то подавление сигнала просачивания предполагает наличие процедуры коррекции параметров балансного контура в соответствии с импедансом линии [9-11].

Максимальная дальность передачи информации зависит от затухания сигналов в проводах линии связи, которое может быть скомпенсировано применением двустороннего усилителя. Особенностью

устройств двустороннего усиления является зависимость качества их работы от степени разброса параметров линий связи. В настоящее время двусторонние усилители строятся по мостовым схемам и обеспечивают двустороннее усиление до 11 дБ [12] при номинальных параметрах линий.

Разброс параметров каналов тональной частоты, а также наличие участков перехода с двунаправленной линии на однонаправленные, существенно влияют на правильность распознавания переданных по ним управляющих и служебных сигналов. Данные сигналы предназначены для управления процессом коммутации, а также содержат сведения об источнике сигнала, которые необходимы системе управления телекоммуникационной сетью для предоставления источнику дополнительных услуг. В качестве метода, предназначенного для распознавания двухчастотных посылок, используется аппаратная фильтрация сигналов [13] и цифровая обработка с применением спектрального анализа, основанного на дискретном преобразовании Фурье [14, 15].

Формулировка цели предпринимаемого исследования

Целью работы является разработка и исследование устройств управления передачей информации на тональной частоте. Разработка подобных устройств предполагает создание математической модели, связывающей управляемые величины с параметрами линий связи. Для достижения поставленной цели исследования проводились по следующим направлениям:

1. Исследование и развитие метода временного разделения при сопряжении узкополосной двунаправленной линии тональной частоты с однонаправленными;

2. Разработка и исследование математической модели импульсного устройства сопряжения двунаправленной линии с однонаправленными на основе временного разделения;

3. Построение и исследование системы адаптации импульсного устройства сопряжения к разбросу импеданса каналов тональной частоты;

4. Развитие теории двустороннего усилителя тональной частоты на основе разработанной математической модели импульсного устройства сопряжения;

5. Разработка метода контроля функционирования импульсного устройства сопряжения с учетом импеданса канала тональной частоты;

6. Разработка алгоритма обработки управляющих двухчастотных посылок, переданных по каналам с неравномерной амплитудно-частотной характеристикой, требующего минимальных временных и аппаратных затрат. Исследование устойчивости алгоритма к разбросу параметров обрабатываемых сигналов при наличии помех.

Методы исследования

Для решения проблемы сопряжения узкополосной двунаправленной линии с однонаправленными, предлагается использование временного разделения, которое при работе на узкополосную нагрузку характеризуется наличием переходных процессов в элементах схемы, осуществляющей сопряжение. Поскольку, в общем случае, схема и нагрузка содержат емкостные и индуктивные элементы, то описание электрической схемы системой уравнений Кирхгофа в операторной форме позволяет учесть начальные условия непосредственно в исходных уравнениях, тем самым упростить процесс анализа схемы. Таким образом, исследование устройства сопряжения производится по методу переменных состояния [16]. Расчет производится для различных режимов работы устройства и при различном входном сопротивлении двунаправленной линии. Затем, на основе полученных результатов, производится построение математической модели и определение основных параметров устройства сопряжения, исполь-

зуя в качестве аргументов параметры элементов устройства сопряжения. Соответствие математической модели экспериментальным наблюдениям проверяется по критерию знаков с использованием статистики Фишера, и по значимости коэффициента корреляции, что позволяет сделать вывод об отсутствии систематической ошибки в полученной модели [17].

На основе, математической модели импульсного устройства сопряжения производится построение и исследование системы адаптации устройства к разбросу параметров линий связи. Кроме того, по результатам теоретического исследования математической модели импульсного устройства сопряжения, производится разработка метода контроля функционирования устройства сопряжения и исправности канала тонал