автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Адаптивные оптоэлектронные входные устройства для сопряжения терминального оборудования документального обмена с физическими линиями связи

На правах рукописи

Гришин Юрий Кузьмич

АДАПТИВНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ

СОПРЯЖЕНИЯ ТЕРМИНАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДОКУМЕНТАЛЬНОГО ОБМЕНА С ФИЗИЧЕСКИМИ ЛИНИЯМИ СВЯЗИ

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления

8 ОКТ 2009

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2009

003479010

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Мазин Анатолий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Заслуженный деятель науки и техники РФ, Лауреат Государственной премии СССР Шахтарин Борис Ильич

кандидат технических наук Филимонков Андрей Александрович

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский

институт автоматической аппаратуры им. академика B.C. Семенихина»

Защита диссертации состоится Л7-2009 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.02 при Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана, по адресу 107005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московског Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просил направлять в адрес совета университета.

Автореферат разослан <&5» 02/^7^^2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / . л к.т.н., доцент Иванов В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Одним из важнейших требований, предъявляемых к входным устройствам электрического сопряжения терминального оборудования (ТО) с физическими линиями связи, является обеспечение гальванической изоляции («гальванической развязки») линейных и местных цепей.

Проблема реализации гальванической изоляции во входных устройствах решалась по мере развития элементной базы различными методами. До 70-х годов XX века, в связи с отсутствием твердотельных электронных компонентов, обеспечивающих гальваническое разделение электрических цепей при информационном обмене между цепями как сигналами постоянного тока, так и переменного, использовались входные устройства, в основу работы которых был положен принцип преобразования сигналов постоянного тока в пачки высокочастотных импульсов с помощью релаксационных генераторов. Гальваническая развязка осуществлялась с помощью импульсных трансформаторов, на основе которых выполнялась схема модулятора.

Начиная с 1971 г., развитие полупроводниковой электроники привело к появлению нового класса твердотельных приборов - оптронов, которые можно было практически использовать при построении входных устройств.

Первое оптоэлектронное входное устройство, примененное в серийных образцах техники передачи дискретной информации, относится к 1974 г.

Адаптивные оптоэлектронные входные устройства для сопряжения приемников дискретной информации с линиями связи начинают разрабатываться и применяться с 1977 г.

Вопросы исследования и разработки адаптивных входных устройств рассматривались в работах отечественных ученых Ланыиина Э.В., Гелюха Л.А., Шевкопляса Б.В., Терентьева Б.П., Копничева J1.H. Следует отметить работы КухареваА.Д., Турилова В.А., Шабанова А.К. в сфере концепций развития терминального оборудования документального обмена, а так же фундаментальные работы по оптоэлектронной элементной базе для входных устройств Носова Ю.Р. Заметный вклад в развитие принципов построения опто-электронных входных устройств для сопряжения приемников дискретной информации с физическими линиями связи внесли зарубежные ученые S.Gage, D.Evans, M.Hodapp, H.Sorensen (США).

Несмотря на имеющийся как у нас в стране, так и за рубежом научно-технический задел по оптоэлектронным входным устройствам, их адаптивно-параметрические и режимно - адаптивные характеристики, а так же влияние на эти характеристики внешних дестабилизирующих факторов на предельных скоростях передачи дискретных сигналов к моменту начала работы над диссертацией не были изучены достаточно глубоко. Первые опыты практического применения оптоэлектронных входных устройств в аппаратуре передачи дискретной информации выявили ряд недостатков. Это, во-первых, высокий процент краевых искажений биполярных сигналов на предельных ско-

ростях работы; во-вторых, сильная зависимость краевых искажений от параметров элементов (в основном оптронов) при температурном воздействии; в-третьих, необходимость подбора элементов с заданными характеристиками при настройке. Были сделаны ошибочные выводы о невозможности обеспечения предельной точности регистрации сигналов такими устройствами без периодической калибровки (регулировки) их уровней регистрации. Для проверки этого положения необходимо было теоретически исследовать критерии, обеспечивающие предельную точность регистрации сигналов. Не были исследованы зависимости краевых искажений биполярных сигналов с асимметрией амплитуд (постоянной и случайно изменяющейся) при их регистрации оптоэлектронными входными устройствами. Не был решен ряд схемотехнических вопросов с учетом реальных характеристик оптронов.

При разработке оптоэлектронных входных устройств для регистрации однополярных сигналов как с фиксированными, так и со случайно изменяющимися амплитудными параметрами, не были в полной мере определены критерии минимизации их искажений при действии внешних дестабилизирующих факторов, включая большой статический разброс параметров оптронов, а так же не были решены схемотехнические вопросы построения адаптивно-параметрических устройств.

При исследовании и разработке режимно - адаптивных устройств, не были достаточно исследованы цифровые методы адаптации оптоэлектронных входных устройств к виду принимаемых сигналов, определенных стандартами. Не были рассмотрены методы программно- режимной адаптации входных устройств с помощью ПЭВМ. В большинстве практических случаев при подготовке ТО документального обмена к приему информации, необходимо было владеть априорной информацией о виде принимаемых сигналов, после чего требовалось вручную устанавливать соответствующий режим работы входного устройства (с помощью тумблеров или заменой соответствующего блока в аппаратуре). Такой метод выбора режимов приводил к существенному увеличению времени готовности ТО к приему информации, что во многих случаях не обеспечивало требований по своевременности доведения оперативной и экстренной информации до потребителя в автоматизированных системах управления.

Поэтому исследования изложенных проблемных вопросов в части способов построения и разработки адаптивных оптоэлектронных входных устройств (адаптивно-параметрических и режимно - адаптивных) для сопряжения ТО документального обмена с физическими линиями связи представляются актуальными и является важной научно-технической проблемой.

Цель работы - повышение точности регистрации дискретных сигналов и помехоустойчивости выбора режимов работы адаптивными оптоэлектронными входными устройствами на предельных скоростях передачи сигналов, и в широком диапазоне температур.

Решаемые задачи для достижения поставленной цели:

1. Исследование возможностей обеспечения предельной точности регистрации биполярных сигналов.

2. Разработка и реализация метода предельной точности регистрации биполярных сигналов.

3. Разработка и реализация метода автокомпенсации краевых искажений при приеме биполярных сигналов с асимметрией амплитуд.

4. Исследование взаимосвязи между положением уровня регистрации однополярных сигналов с фиксированными амплитудами и величиной искажений сигналов при приеме.

5. Разработка методики расчета термостабильности уровня регистрации однополярных сигналов по критерию допустимых искажений.

6. Исследование взаимосвязи между амплитудами однополярных сигналов и величиной их искажений (при стабильном уровне регистрации).

7. Разработка адаптивно-параметрических способов и технических решений для регистрации однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами.

8. Исследование методов и разработка вариантов решений, обеспечивающих режимную адаптацию входных устройств, в том числе и программно-режимную адаптацию от ПЭВМ.

9. Схемная оптимизация режимно - адаптивных входных устройств по критериям быстродействия и помехоустойчивости.

Методы исследования

Перечисленные задачи решены методами дифференциального исчисления, гиперболической тригонометрии, прямолинейной тригонометрии (решение треугольников), алгебраическими методами (показательные и логарифмические функции).

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Сформированы и обоснованы критерии предельной точности регистрации биполярных сигналов с симметричными амплитудами.

2. Предложен и исследован метод автокомпенсации краевых искажений при приеме биполярных сигналов со случайно изменяющейся асимметрией их амплитуд.

3. Установлены математические соотношения между допустимой относительной величиной искажений однополярных сигналов и относительным значением нестабильности уровня их регистрации для любых скоростей работы, в том числе и для предельных.

4. Предложена методика расчета температурной стабильности уровня регистрации оптоэлектронного входного устройства при каскодном методе включения фотоприемников оптронов.

5. Теоретически обоснованы допустимые изменения диапазона уровней регистрации однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами.

6. Предложены критерии построения адаптивных оптоэлектронных входных устройств для приема однополярных сигналов с точностью, близкой к предельной, в широком диапазоне действия дестабилизирующих факторов (температура, радиация).

7. Впервые предложены и исследованы методы режимной адаптации оптоэлектронных входных устройств и проведена их оптимизация по критериям быстродействия и помехоустойчивости.

Практическая новизна:

1. Разработанные методы и методики расчета и проектирования адаптивных оптоэлектронных входных устройств, разработанные структурные и структурно-электрические схемы и схемные решения обеспечивают создание оптоэлектронных входных устройств повышенной эффективности, которые оптимизированы по точности регистрации дискретных сигналов, помехоустойчивости и времени выбора режима работы, обеспечивают работу в очень широком диапазоне температур (близком к предельному значению для оптоэлектронных элементов - оптронов) и на предельных скоростях работы. Возможность совмещения в новых устройствах адаптивно-параметрических и режимно-адаптивных свойств практически полностью делает входные устройства автоматизированными и универсальными и исключает необходимость участия операторов при эксплуатации таких устройств в составе автоматизированных комплексов документальной связи, построенных на основе ЭВМ. Это сокращает время и повышает достоверность и надежность доведения оперативной и экстренной информации до потребителя в различных системах управления.

2. Разработанные структуры адаптивных оптоэлектронных входных устройств позволяют реализовывать их на современной отечественной и зарубежной элементной базе, в том числе с использованием программируемых логических интегральных схем - ПЛИС, что создает предпосылки для их миниатюризации и возможности встраивания в средства вычислительной техники и систем управления, в том числе и ПЭВМ.

3. На основе результатов диссертационной работы созданы принципиально новые технические решения оптоэлектронных входных устройств для сопряжения приемников дискретной информации с линиями связи. Все предложенные в диссертационной работе технические решения защищены 19 охранными документами на объекты интеллектуальной собственности (авторские свидетельства СССР на изобретения и патенты Российской Федерации), что позволяет рассчитывать на возможность заключения лицензионных соглашений и привлечение инвестиций при реализации инновационных проектов в области телекоммуникационных систем.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на ежегодных Всероссийских конференциях «Новые информационные

технологии в системах связи и управления». - Калуга 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг. -11 докладов.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе:

- 11 статей - в трудах вышеназванных ежегодных конференций;

- 4 статьи - в журналах «Техника средств связи» (серия «Техника проводной связи»), журнале «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания»;

- 2 работы - в информационных листках о научно-техническом достижении.

Новые технические решения, рассмотренные в диссертационной работе, защищены 19 охранными документами (авторские свидетельства СССР на изобретения и патенты РФ).

Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований адаптивных оптоэлектронных входных устройств отражены в отчетах по научно-исследовательским работам и материалах опытно-конструкторских работ, проводимых в ФГУП «КНИИТМУ» (г. Калуга).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, библиографического списка из 86 наименований и приложений. Работа содержит 160 страниц машинописного текста содержательной части, 32 рисунка и 8 страниц библиографии.

Содержание работы

В диссертационной работе исследуются возможности повышения точности регистрации дискретных сигналов, передаваемых по физическим линиям. Теоретически обосновывается возможность предельной точности регистрации сигналов оптоэлектронными входными устройствами, а также возможность создания универсальных адаптивных оптоэлектронных входных устройств с адаптивно-параметрическими и режимно - адаптивными функциями и обеспечением управления режимами их работы от средств вычислительной техники. Рассматриваются методы построения таких устройств для ТО документального обмена.

В разделе «Введение» обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

В первой главе исследованы причины искажений биполярных сигналов при передаче их по физическим линиям. При передаче дискретной информации биполярными сигналами по физической линии, на приемном конце они искажаются настолько, что форма их фронтов становится близкой к экспоненциальной. Воздействуя на входное приемное устройство, искаженные сигналы вызывают его срабатывание, когда амплитуды их посылок положительной и отрицательной полярностей достигают порогов срабатывания

или уровней регистрации. Поскольку фронты биполярных сигналов имеют определенные углы наклона к оси времени, моменты срабатывания приемного устройства зависят как от параметров сигналов и помех, так и от параметров входного устройства. Отклонения моментов срабатывания входного устройства от номинальных положений создают краевые искажения зарегистрированных сигналов, при этом их длительность отличается от длительностей эталонных сигналов, что снижает запас устойчивости связи.

Установлено, что одним из актуальных вопросов при приеме биполярных сигналов, форма которых подвергается искажениям вследствие неравномерности частотных характеристик линий связи, является вопрос влияния уровней регистрации входного устройства на точность регистрации биполярных сигналов и поиск путей минимизации искажений принятых сигналов.

В целом, определение формы биполярного сигнала с учетом всех первичных параметров линии связи, выходного сопротивления передающего устройства и входного сопротивления приемного устройства представляет громоздкую задачу.

В целях упрощения задачи в качестве физической линии связи может быть рассмотрен кабель со стандартными первичными параметрами, когда можно пренебречь проводимостью изоляции и индуктивностью кабеля ввиду их малого влияния. Можно также считать, что выходное сопротивление передающего устройства (Ко) и входное сопротивление приемного устройства (Л„) являются активными.

Исследованиями установлено, что при формировании передающим устройством положительного фронта биполярного сигнала (переход от посылки отрицательной полярности к посылке положительной полярности) форма изменения тока во входном приемном устройстве может быть определена с помощью известного выражения:

гн=~1 1 + л1Аке

(1Л),

1 + а

где ^ к

где

в1п 2 в к

- 1

в - корни промежуточного уравнения:

tgвk = - авк\

а - нормированная нагрузка, определяемая:

Я I

(1.2),

п- нормированное время, равное

I

п = —

т '

где I - время; г - постоянная времени кабеля, равная

г= 0,02915 СЛ/2,

где С, Я, I - километрические емкость, сопротивление и длина кабеля соответственно;

/ - установившееся значение тока в цепи кабеля связи, а соответственно и во входном устройстве.

Применение выражения (1.1) затруднено тем, что оно имеет форму ряда, однако, используя его в качестве основы, можно найти уравнения формы участков фронтов сигнала, в зоне которых происходит его регистрация.

Выполнив ряд практических расчетов по (1.1) для нескольких значений нормированной нагрузки а и построив в координатах [;'„/, и] семейство кривых для тока во входном устройстве, можно увидеть, что начала кривых сдвинуты вправо на различные отрезки нормированного времени п.

Применение относительных масштабов по горизонтальной и вертикальной осям, а также нормированной нагрузки дает возможность учесть взаимосвязь всех параметров, от которых зависят форма и амплитуда биполярного сигнала на входе приемного устройства, то есть

'и/1 =дс, Я I, Ко, Я<, I).

Анализ семейства полученных кривых для значений г'„/ > - 0,4 показывает, что они с высокой точностью совпадают с экспонентами вида 1 - 2ех. С учетом изложенных обстоятельств, можно записать приближенное выражение для токов в приемном устройстве:

—I, при 0 < п < с1; 1" =|/(1-2-М),при 00>п>а (1.3),

где в - множитель, учитывающий изменение наклона кривои тока к оси времени;

с1 - слагаемое, учитывающее смещение кривой тока относительно оси п нормированного времени.

Для решения большинства задач (например, для определения краевых искажений) не требуется учитывать смещение фронта нарастания тока /„+ относительно оси нормированного времени (запаздывание), поэтому выражение (1.3) можно упростить, приняв в нем с/= 0, тогда

1-2е или, учитывая что п=

С ! \

можно получить

= /

1 - 2е

(1-4).

Для практических расчетов зависимость в= Ла) может быть аппроксимирована отрезком окружности и определяется по эмпирической формуле:

в = 0,824 - ^/о, 461—(0,405 - 0,64а)2 .

Из (1.4) следует, что уравнение фронта спада тока /„_ (с учетом обратной симметрии фронтов) будет иметь вид:

= /

2е

-1

(1.5).

Рассчитаны критерии, обеспечивающие предельную точность регисра-ции биполярных сигналов с симметричными амплитудами. На рис. 1.1 представлена графическая интерпретация уравнений (1.4) и (1.5) для фронта нарастания и фронта спада тока в биполярном сигнале.

Из рис. 1.1 могут быть определены краевые искажения Дí+ на фронте нарастания тока и А(. на фронте спада тока биполярного сигнала.

Из треугольников ABC и А'В 'С' имеем:

At+=-^.Al==L

tga] ' Iga2 '

где 1+ - значение уровня регистрации на фронте нарастания тока; I. - значение уровня регистрации на фронте спада тока; a¡ и а2 - углы наклона касательных в точках В и В' соответственно.

Поскольку участок фронта АВ практически линейный, то производные функции в точке А ив точке В совпадают, тогда взяв производную от выражения (1.4), будем иметь:

( i л t ( \

-в— в

/ 1~2е г = 21 -

- - W

Для точки В с координатами /„+ = 0 из (1.4) следует: / / \

1 — 2е

= 0

или

I t

-в— -в —

2е т =1. е

0,5 .

Поэтому Тогда:

, \

tga,=2I¡ -Ar =

в * j

К т

0,5 = / | ^

Проводя аналогичные рассуждения для точек А' и В' и взяв производную от выражения (1.5), будем иметь:

1в

При отсутствии асимметрии амплитуд биполярного сигнала и постоянстве г для фронта нарастания и фронта спада, а; = а2, поэтому очевидно, что для исключения краевых искажений при приеме биполярных сигналов необходимо выполнение условия:

л л 1 + т 1-х

Л/+ = Л/_,шш ~т— = (1.6).'

1в1в

Уравнение (1.6) справедливо при выполнении условия:

Таким образом, максимально высокая (предельная) точность регистрации биполярных сигналов может быть достигнута при равенстве абсолютных значений уровней регистрации посылок положительной и отрицательной полярностей.

Все известные технические решения и пути повышения точности регистрации биполярных сигналов не гарантируют точного выполнения условия (1.7) по причинам отсутствия корреляции характеристик двух пороговых уст-

ройств для регистрации посылок положительной и отрицательной полярностей принимаемого сигнала.

В технике передачи дискретной информации широкое применение нашло техническое решение на основе оптоэлектронных элементов, в котором разница между абсолютными значениями в уровнях регистрации посылок биполярного сигнала может быть сведена, практически, к нулю при настройке и регулировке.

Однако такое соотношение между значениями уровней регистрации также не может быть гарантировано при действии дестабилизирующих факторов на весь ресурс эксплуатации, что может привести к нарушению выполнения условия (1.7) и появлению краевых искажений, которые могут быть оценены величиной преобладаний тх пр каждого из фронтов. Расчет тх „р в относительных единицах в этом случае может быть произведен по формуле:

М'-И

YYI — ----

X пр 21цув-в (1.8),

где В - скорость передачи сигналов;

1чув - чувствительность входного устройства (|^чув

С целью обеспечения выполнения условия (1.7) с предельной точностью при действии всех дестабилизирующих факторов и на весь ресурс эксплуатации предлагается способ, который реализуется с помощью устройства, структурная схема которого приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структурная схема устройства для приема биполярных сигналов (Авторское свидетельство СССР № 739423)

Отличительной новизной этого способа является возможность регистрации посылок положительной и отрицательной полярностей биполярного сигнала одним и тем же пороговым узлом устройства

(вход 1п2 блока компарирования сигналов) с заданным значением порога (уровня регистрации) с последующим детектированием (различением) полярности входного сигнала и синхронным выделением выходного сигнала.

При таком способе регистрации биполярных сигналов очевидно, что при действии любых дестабилизирующих факторов на элементы предложенной структуры (радиация, температура, старение), исключается возможность нарушения условия (1.7).

Предложены варианты оптимизации схемных решений входного устройства по критериям быстродействия (скорости работы), помехоустойчивости, контролепригодности, стойкости к температурным и радиационным воз- • действиям. Анализ технического решения и схемы показывает, что при различных критериях оптимизации могут быть выбраны оптимальные варианты выполнения отдельных узлов предложенного технического решения.

Предложены метод, структурная и схемная реализация входного устройства, позволяющие минимизировать краевые искажения биполярных сигналов с постоянной асимметрией амплитуд (постоянное преобладание).

Разработан и теоретически обоснован метод автокомпенсации краевых искажений биполярных сигналов со случайно изменяющейся асимметрией амплитуд.

Предложено адаптивно-параметрическое устройство для регистрации биполярных сигналов, реализующее метод автокомпенсации краевых искажений.

Во второй главе определены характеристики однополярных сигналов и требования к условиям их регистрации. Поскольку при совершенствовании терминального оборудования документального обмена к нему предъявляются возрастающие требования по достоверности и надежности своевременного доведения до потребителя оперативной и экстренной информации, одним их важнейших требований которому должны удовлетворять входные устройства для регистрации однополярных дискретных сигналов является высокая точность регистрации таких сигналов в условиях изменяющихся амплитудных и временных параметров сигналов и действии дестабилизирующих факторов на элементы устройства.

Для минимизации влияния на точность регистрации однополярных сигналов у которых изменяются амплитудные и временные параметры рекомендуется передачу таких сигналов вести по выделенным (арендованным) каналам. Однако и в таких каналах действие дестабилизирующих факторов на элементы входных устройств может существенно отразиться на оптимальном уровне регистрации однополярных сигналов, что приведет к понижению точности их приема и как следствие к снижению надежности связи.

Для выбора принципов построения и схемно-технических решений одноуровневых оптоэлектронных устройств для регистрации однополярных сигналов необходимо было решить для различных скоростей передачи сигналов две взаимосвязанные задачи:

1) определить значение оптимального уровня регистрации ipeaonm. с учетом допустимой относительной величины его нестабильности y¿on при заданной максимально допустимой относительной величине краевых искажений Sтах доп, то есть установить функциональную зависимость вида:

Удоп =f¡ (<5 тах доп) (2-1 );

2) определить зависимость максимальной относительной величины искажений ô тса принятых однополярных сигналов от изменения относительной величины нестабильности у уровня регистрации, то есть установить функциональную зависимость вида:

<5 «ох=/ИУ) (2-2).

Для решения этих задач необходимо определить форму фронтов одно-полярного сигнала, амплитуда токовой посылки которого постоянна во времени (выделенный канал связи). Как и для биполярных сигналов, форма фронтов однополярных сигналов во входном устройстве в зоне изменения их уровня регистрации с достаточной степенью точностью определяется экспоненциальными кривыми (1.4), (1.5), с учетом коэффициента в, определяющего наклон экспонент к оси времени. Однако, следует иметь ввиду, что в отличии от биполярного сигнала в этом случае амплитуда сигнала не меняет полярности (пассивная пауза). Поэтому уравнение формы однополярного сигнала в линии будет иметь вид:

i

/o(i_е"7), при 0< / < г0, (фронт нарастания)

^ш»= ' i (2.3),

-в-

h e \ при T„<t< 2г0, (фронт спада), где 10 — фиксированная амплитуда токовой посылки (для конкретной линии связи).

Установлены математические зависимости:

а) допустимой относительной величины нестабильности уровня регистрации удоп от заданной относительной величины краевых искажений 8 max ¿,оп однополярного сигнала:

II =(кв'5^оо„ (226).

К I доп 2г • В

б) максимальной относительной величины краевых искажений от заданной относительной величины нестабильности уровня регистрации однополярных сигналов:

S¡m = ^±Arth\Y\ (2.28).

в

Определены требования к стабильности уровня регистрации входного устройства, обеспечивающие номинальную исправляющую способность приемников дискретной информации на предельных скоростях работы:

Удоп< |8|% (2.41).

Определено влияние на параметры входного устройства температурных характеристик диодных оптронов. Установлено, что без принятия специальных мер максимальные значения относительной величины у уровня регистрации входного устройства при крайних значениях температур t°mm = - 60 °С и t°mux = + 85 °С могут быть определены по следующим формулам:

У+тах атах if°max ~ 20 °С) (2.33);

У-max = - атах (t°mm- 20 °С) (2.34),

где атах - максимальное значение абсолютной величины температурного коэффициента передачи тока оптронов.

Расчеты по формулам (2.33) и (2.34) дают следующие результаты:

У+тах = - 45,5 %;

У-max = 56 %,

которые не обеспечивают требования (2.41).

Разработана методика и получены формулы для расчета оптоэлектронных входных устройств с каскодным включением фотоприемников оптронов на заданный температурный диапазон работы:

(\а2\ -Ы . )1дН

_ V 2 lmax I Imin / | |max

упред - —;—i—i—¡ттл--2.63),

1+ а, . ■ АН

1 Imin

Imax

(\а2\ — lor,[ . )•

\l L Imax I 1 Imin /

' в 1 + la, . • A t

\ i Imin

At'

(2.68)

Предложена схема входного устройства с термокомпенсацией на основе многоканальных диодных оптронов для работы в температурном диапазоне от минус 60 °С до плюс 85 °С на предельных скоростях передачи сигналов.

Определена допустимая погрешность Дууст настройки (установки) уровня регистрации однополярных сигналов:

Аууст=± 2,12% (2.71).

Предложены варианты схем входных устройств с упрощенной прецизионной настройкой уровня регистрации для которых определена предельная погрешность его установки:

А/ = ± 0,2 % (2.84).

уст пред

В третьей главе проведен анализ результатов решения телеграфного уравнения и их влияния на параметры сигналов в линии.

Определены уравнения для фронтов нарастания и спада однополярных сигналов для наихудших условий передачи их по однородным физическим линиям с переменными распределенными параметрами:

/ =

пин

Г г Л -в—

1-е г

V

I

+ 5 при 0 < / <т0 (фронт нарастания)

(3.12),

1к+{,жх~1хх)'е Г) при То < I <2т0 (фронт спада)

где Ксх - значение исходящего тока в точке подключения линейной батареи и входного устройства;

1хх - значение тока холостого хода линии.

Предложен алгоритм и схема входного устройства для обеспечения оптимальных условий регистрации однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами.

Определены математические зависимости между величиной краевых искажений однополярных сигналов и амплитудами токовых посылок этих сигналов.

Математически обоснована необходимость создания адаптивно-параметрических входных устройств для регистрации однополярных сигналов со случайно изменяющейся амплитудой токовых посылок.

Определены требования к адаптивно-параметрическим входным устройствам.

Определены принципиальные особенности построения адаптивно-параметрических устройств для различных каналов связи.

Разработаны варианты адаптивно-параметрических устройств для работы по коммутируемым каналам и арендованным (закрепленным) каналам связи.

Предложен оптимальный вариант адаптивно-параметрического устройства по критериям точности регистрации однополярных сигналов и стойкости к воздействию дестабилизирующих факторов (температура, радиация, старение полупроводниковых элементов), не требующий настроек как при производстве, так и в эксплуатации.

В четвертой главе обоснована необходимость создания режимно-адаптивных входных устройств для автоматизированных систем документальной связи.

Предложены принципы построения режимно-адаптивных входных устройств и проведена их классификация по принципу адаптации:

а) амплитудная адаптация;

б) временная адаптация;

в) цифровая адаптация.

Разработаны варианты режимно-адаптивных входных устройств, дана оценка их характеристик.

Предложена обобщенная структурная схема организации цифрового принципа адаптации как наиболее перспективного по достоверности выбора режима работы входных устройств.

Дан анализ особенностей реализации некоторых алгоритмов обобщенной структурной схемой входного устройства.

Предложены пять вариантов режимно-адаптивных входных устройств на основе принципа цифровой адаптации и проведена их оптимизация по заданным критериям.

Предложено режимно-адаптивное входное устройство с возможностью программного управления от ПЭВМ, отмечены особенности его построения и эксплуатации.

Предложено универсальное режимно-адаптивное входное устройство, в котором совмещены функции адаптивно-параметрических устройств для регистрации однополярных и биполярных сигналов с режимно-адаптивными и программно-режимными функциями устройства. Обоснована высокая степень универсальности предложенного устройства.

В разделе «Выводы н заключение» изложены основные теоретические и' практические результаты диссертационной работы.

В приложении приведены структура телеграфного коммутационного комплекса узла связи (ТКК УС) и структурная схема связного защищенного многофункционального терминала документального обмена (СЗМТ), оснащенных адаптивными оптоэлектронными входными устройствами.

В описании ТКК УС подробно изложены его функциональные возможности, обусловленные применением в комплексе адаптивных оптоэлектрон-ных входных устройств, построенных по результатам исследований и разработок диссертационной работы.

Основные результаты работы.

Разработанные методы и методики расчета и проектирования адаптив- ■ ных оптоэлектронных входных устройств, разработанные структурные и структурно-электрические схемы и схемные решения обеспечивают создание оптоэлектронных входных устройств повышенной эффективности, которые оптимизированы по точности регистрации дискретных сигналов, помехоустойчивости и времени выбора режима работы, обеспечивают работу в очень широком диапазоне температур (близком к предельному значению для оптоэлектронных элементов - оптронов) и на предельных скоростях работы. Возможность совмещения в новых устройствах адаптивно-параметрических и режимно - адаптивных свойств практически полностью делает входные устройства автоматизированными и универсальными и исключает необходимость участия операторов при эксплуатации таких устройств в составе автоматизированных комплексов документальной связи. Это сокращает время и повышает достоверность и надежность доведения оперативной и экстренной информации до вычислительных средств потребителя в различных системах управления.

Публикации по теме работы

1. Гришин Ю.К. Автоматизация выбора режима работы входного устройства телеграфного аппарата // Техника средств связи. Техника проводной связи. -1985,-Вып. 7.-С.45-51.

2. Гришин Ю.К. Об одном способе исключения краевых искажений при приеме биполярных сигналов // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды IV Российской научно-технической конференции,- Калуга, 2005. - С.268-271.

3. Гришин Ю.К. О некоторых аспектах повышения качества приема биполярных сигналов оптронными устройствами // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VI Российской научно-технической конференции.- Калуга, 2007. - С.271-274.

4. Гришин Ю.К. К вопросу построения адаптивных входных устройств приемников дискретной информации // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VI Российской научно-технической конференции.- Калуга, 2007. - С.267-270.

5. Гришин Ю.К., Мазин A.B. Об одном способе повышения точности регистрации биполярных сигналов с асимметрией амплитуд // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VI Российской научно-технической конференции,- Калуга, 2007. - С.275-278.

6. Гришин Ю.К., Мазин A.B. Исследование влияния нестабильности уровня регистрации однополярных сигналов на запас устойчивости связи терминальных средств документального обмена // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VI Российской научно-технической конференции,- Калуга, 2007. - С.279-283.

7. Гришин Ю.К., Мазин A.B. Повышение точности регистрации биполярных дискретных сигналов // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VII Российской научно-технической конференции,- Калуга, 2008. - С.415-422.

8. Гришин Ю.К., Мазин A.B. Об обеспечении предельной точности регистрации биполярных дискретных сигналов // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2008. - Вып. 1,2. - С.141-144.

9. Гришин Ю.К., Мазин A.B. Вопросы минимизации краевых искажений однополярных сигналов при их регистрации оптоэлектронными входными устройствами на предельных скоростях работы // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VIII Российской научно-технической конференции.- Калуга, 2009. - С.150-164.

10. Гришин Ю.К., Мазин A.B. Автокомпенсация краевых искажений при приеме биполярных сигналов со случайно изменяющейся асимметрией их амплитуд // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VIII Российской научно-технической конференции. -Калуга, 2009.-С.165-180.

Подписано в печать Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ №_Ротапринт МГТУ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ

ПРИЕМА И РЕГИСТРАЦИИ БИПОЛЯРНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ

1.1. Анализ причин искажений биполярных сигналов

1.2. Математический анализ уравнений фронтов

1.3. Расчет критериев обеспечения предельной точности 26 регистрации биполярных сигналов с симметричными амплитудами

1.4. Структурная и схемная реализация входного устройства 28 с предельной точностью регистрации биполярных сигналов

1.5. Варианты оптимизации схемных решений входного 34 устройства по различным критериям

1.6. Оценка краевых искажений биполярных сигналов с 37 постоянной асимметрией амплитуд (постоянное преобладание)

1.7. Минимизации краевых искажений биполярных сигналов с 38 постоянным преобладанием (метод, структурная и схемная реализации)

1.8. Автокомпенсация краевых искажений биполярных 43 сигналов со случайно изменяющейся асимметрией их амплитуд (теория, расчет, схемная реализация)

1.9. Выводы по главе

2. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ 57 ПРИЕМА И РЕГИСТРАЦИИ ОДНОПОЛЯРНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ С ПОСТОЯННЫМИ АМПЛИТУДНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

2.1. Однополярные дискретные сигналы: общая характеристика и условия регистрации

2.2. Расчет показателей взаимосвязи между краевыми 60 искажениями и стабильностью уровня регистрации однополярных сигналов

2.3. Анализ особенностей характеристик оптронов и их 65 влияния на параметры входного устройства.

2.4.Расчет и обоснование требований ко входному устройству 67 для обеспечения работы на предельных скоростях

2.5. Исследование и расчет температурной стабильности уровня 70 регистрации входного устройства с термокомпенсацией

2.6. Исследование причин погрешности настройки и их 78 минимизация в вариантах входных устройств

2.7. Выводы по главе

3. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ 87 ПРИЕМА И РЕГИСТРАЦИИ ОДНОПОЛЯРНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ СО СЛУЧАЙНО ИЗМЕНЯЮЩИМИСЯ АМПЛИТУДНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

3.1. Результаты решения телеграфного уравнения и анализ 87 их влияния на структуру входного устройства

3.2. Исследование влияния амплитудных параметров 97 однополярного сигнала на величину его искажений (при фиксированном уровне регистрации)

3.3. Определение требований к адаптивно-параметрическим 102 входным устройствам

3.4. Варианты адаптивно-параметрических устройств, их 105 анализ и оптимизация

3.5. Разработка оптимального варианта адаптивно - 112 параметрического входного устройства по заданным критериям

3.6. Выводы по главе

4. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА,

АДАПТИВНЫЕ К ВИДУ РЕГИСТРИРУЕМЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ

4.1. Обоснование необходимости разработки режимно — 116 адаптивных входных устройств

4.2. Классификация принципов построения режимно- 117 адаптивных входных устройств и их анализ

4.2.1. Амплитудный принцип адаптации

4.2.2. Временной принцип адаптации

4.2.3. Цифровой принцип адаптации

4.3. Структурная схема организации цифрового принципа 131 адаптации и ее анализ

4.4. Исследования вариантов схем входных устройств на 134 цифровом принципе адаптации

4.5. Особенности построения режимно-адаптивных входных 150 устройств с программным управлением от ПЭВМ

4.6. Выводы по главе

В состав современных систем управления* входит аппаратура- связи, построенная на основе новых цифровых телекоммуникационных технологий, обеспечивающих повышение помехоустойчивости и достоверности передачи информации, а также своевременность доведения оперативных и экстренных сообщений до потребителя за счет сокращения времени передачи и увеличения надежности доставки информации.

Одной из основных составляющих современной аппаратуры связи является абонентское терминальное оборудование (ТО) документального обмена.

Посредством ТО потребителю во всех сферах деятельности предоставляются услуги связи и телекоммуникаций. При этом предполагается, что понятие «потребитель» охватывает как людей, так и прикладные процессы в ЭВМ и. терминалах, связанные с приемом, сбором, обработкой, преобразованием, хранением, отображением, документированием и передачей информации и приня-тиемфешений на ее основе.

Информационное взаимодействие составных частей систем управления определяется базовой эталонной моделью взаимодействия открытых систем (OSI - Open Systems Interconnection). Она описана стандартом ISO 7498 Международной, организацией стандартов (ISO - International Standards Organization). Модель является международным стандартом для передачи данных. Согласно этой модели взаимодействияЛ80 'выделяются семь уровней, образующих область взаимодействия открытых систем: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный и прикладной.

Функции уровня в« зависимости от его номера могут выполняться программными, аппаратными либо программно-аппаратными средствами.

Физический уровень обычно выполняется в аппаратном виде. Данный уровень предназначен для переноса потока двоичных сигналов (последовательности бит) в виде, пригодном для передачи по конкретной используемой физической среде.

Одной из важнейших функций, которую выполняет физический уровень, является функция преобразования сигналов. Такая функция выполняется одним из тестированных канальных стыков С1.

Современное и перспективное ТО документального обмена по функциональной сложности можно разделить на следующие группы:

1 — периферийные (автономные) устройства;

2 — простые терминалы;

3 — многофункциональные терминалы;

4 — (мульти) видео документальные терминалы.

Классическим примером простого терминала является телеграфный терминал. Еще до недавнего времени телеграфные терминалы (телетайпы) были, распространены чрезвычайно широко, хотя и в.настоящее время на сетях связи страны (в* основном, Министерств обороны РФ, МЧС, МВД и ФСБ) находятся несколько десятков тысяч оконечных установок документальной электросвязи, представленных телеграфными, и факсимильными аппаратами, а также телеграфной аппаратурой специального назначения, то есть терминалами телеграфного типа.

В телеграфных терминалах функция телеграфных канальных стыков С1 реализуется с помощью входных и выходных устройств, которые отвечают требованиям стандартов [1-3].

На существующих в Российской- Федерации сетях телеграфной связи документальная, связь, в сложных условиях эксплуатации в настоящее время обеспечивается в основном с помощью отечественных телеграфных аппаратов (ТА) различных поколений: РТА-7А, РТА-7Б, РТА-7М, РТА-7М1, РТА-7МК, РТА-7МИ, П-115, П-116, РТА-80, РТА-80/7, а также факсимильных аппаратов П-109; П-111, П-111-1А, П-112 с телеграфными режимами работы [4]. На многих узлах связи эксплуатируются электронные телеграфные измерители пятого поколения ЭТИ-94, а также электронные размножители телеграфных сигналов. Кроме того, достаточно широко используются автономные телеграфные устройства, такие как ИСУ-ТА, ИСУ-ТА2, ЭУПУ-1 [4].

Характерной тенденцией развития перспективного ТО документального обмена является широкое внедрение современных цифровых телекоммуникационных технологий, обеспечивающих повышение помехоустойчивости и достоверности передачи документальных сообщений в сложных условиях эксплуатации [5].

При проектировании перспективных телекоммуникационных сетей и систем документальной связи требуется исходить не только из стремления к постоянному улучшению, совершенствованию и модернизации объектов связи, но и из того, чтобы дать технике телекоммуникации новое направление - интеграции телекоммуникационных услуг на основе принципов щифровизации всей передаваемой информации [6].

Очень важной задачей при создании современного ТО документального обмена, использующем средства вычислительной техники, является реализация все более «умных» функций (услуг) и сокращение участия оператора при работе ТО. Необходимо стремиться к тому, чтобы функции оператора все чаще сводились бы к заданию режимов и контролю выполнения заданий, во многих случаях способы выбора (задания) режимов были бы адаптивными [7].

Исследования, проведенные в Федеральном государственном унитарном предприятии «Калужский НИИ телемеханических устройств» (ФГУП «КНИИТМУ»), позволили определить структуру перспективного многофункционального терминала документального обмена (МФТ) с учетом возможности передачи и приема всех видов информации в существующих и перспективных системах связи и управления силовых структур Российской Федерации (РФ) и Минсвязи РФ'[8]. Такая структура представлена на рис.1.

Основу аппаратных средств МФТ составляет типовая структура профессиональных персональных ЭВМ (ППЭВМ).

Сопряжение МФТ с различными типами физических линий должно осуществляться через модуль сопряжения с каналами связи.

Рис.1. Схема электрическая структурная перспективного МФТ документального обмена

Поскольку МФТ должен работать как в режиме приема, так и передачи информации по различным физическим линиям связи, то основными составными частями модуля сопряжения являются входные и выходные устройства, обеспечивающие электрическое сопряжение цифровых приемников и передатчиков ППЭВМ с линиями связи.

Входные и выходные устройства МФТ должны обеспечивать работу по физическим линиям связи как с действующим парком аппаратуры документальной связи и так и с перспективным терминальным оборудованием.

Поскольку работа входных и выходных устройств, как правило, происходит в наиболее тяжелых условиях (по сравнению с другими узлами ТО), связанных с применением линейных напряжений до 160 В и линейных токах до 120 мА [9], а также с воздействиями на линии связи факторов естественного происхождения (грозовые разряды, статическое электричество) и искусственного происхождения (короткие замыкания, воздействия линий электропередач), то эти узлы в значительной степени определяют долговечность аппаратуры и надежность связи [10].

Учитывая, что режимы работы входных и выходных устройств в соответствии со стандартами [1 - 3] могут быть различными (прием и передача од-нополярных и биполярных сигналов), важным является вопрос автоматизации; выбора этих режимов.

Как* показывают детальные теоретические и экспериментальные исследования [11, 12]'весьма актуальным является вопрос исследования и разработки принципов построения адаптивных оптоэлектронных входных устройств, обеспечивающих взаимодействие терминального оборудования документального обмена- через* физические линии связи на канальном телеграфном стыке С1, поскольку имеющаяся теоретическая и практическая база в области входных устройств не позволяет в достаточно полной мере реализовать перспективные требования к терминальному оборудованию документального обмена в телекоммуникационных системах.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к входным устройствам электрического сопряжения ТО4 с физическими линиями связи, является обеспечение гальванической изоляции («гальванической развязки») линейных и местных цепей [9, 13].

Проблема реализации гальванической изоляции во входных устройствах решалась по мере развития элементной базы различными методами. До 70-х годов XX века, в связи с отсутствием твердотельных электронных компонентов, обеспечивающих гальваническое разделение электрических цепей при информационном обмене между цепями как сигналами постоянного тока, так и переменного, использовались входные устройства, в основу работы которых был положен принцип преобразования сигналов постоянного тока в пачки высокочастотных импульсов с помощью релаксационных генераторов. Гальваническая развязка осуществлялась с помощью импульсных трансформаторов, на основе которых выполнялась схема модулятора [14].

Начиная с 1971 г., развитие полупроводниковой электроники привело к появлению нового класса твердотельных приборов - оптронов [15], которые можно было практически использовать при* построении входных устройств.

Первое оптоэлектронное входное устройство, примененное в, серийных образцах техники передачи дискретной информации, относится к 1974 г. [16].

Адаптивные оптоэлектронные входные устройства для сопряжения приемников-дискретной информации с линиями связи начинают разрабатываться и применяться с 1977 г. [17, 18].

Вопросы исследования- и разработки адаптивных входных устройств рассматривались в работах отечественных ученых Ланьшина Э.В. [16, 20, 29, 66, 68], Гелюха Л.А. [14, 19, 20, 66; 68], Шевкопляса Б.В. [12], Терентьева Б.П. [9], Копничева Л.Н. [10]. Следует отметить работы [5 - 8] Кухарева А.Д., Турилова В.А., Шабанова А.К. в сфере концепций развития, терминального оборудования документального обмена, атак же фундаментальные работы [33, 41, 49, 50] по оптоэлектронной элементной базе для входных устройств Носова Ю.Р. Заметный вклад в развитие принципов регистрации дискретных сигналов оптоэлектронными входными устройствами внесен зарубежными учеными S.Gage, D.Evans, M.Hodapp; H.Sorensen [11] (США).

Несмотря на имеющийся как у нас в стране, так и за рубежом научно-технический задел по оптоэлектронным входным устройствам, их адаптивно-параметрические и режимно - адаптивные характеристики, а так же влияние на эти характеристики внешних дестабилизирующих факторов на предельных скоростях передачи дискретных сигналов к моменту начала работы над диссертацией не были изучены достаточно глубоко. Первые опыты практического применения оптоэлектронных входных устройств в аппаратуре передачи дискретной информации выявили ряд недостатков [19]. Это, во-первых, высокий процент краевых искажений биполярных сигналов на предельных скоростях работы; во-вторых, сильная зависимость краевых искажений от параметров элементов (в основном оптронов) и при температурном воздействии; в третьих, необходимость подбора элементов с заданными характеристиками при настройке. Были сделаны ошибочные выводы [19] о невозможности обеспечения предельной точности регистрации сигналов такими устройствами без периодической калибровки (регулировки) их уровней^ регистрации. Для проверки этого положения необходимо было теоретически исследовать критерии, обеспечивающие предельную точность регистрации сигналов. Не были исследованы зависимости краевых искажений биполярных сигналов с асимметрией амплитуд (постоянной и случайно изменяющейся) при их регистрации оптоэлек-тронными входными устройствами. Не был решен ряд схемотехнических вопросов с учетом реальных характеристик оптронов.

При разработке оптоэлектронных входных устройств» для регистрации однополярных сигналов, как с фиксированными, так и со случайно изменяющимися амплитудными параметрами, не были в полной мере определены критерии минимизации их искажений при действии внешних дестабилизирующих факторов, включая большой статический разброс параметров оптронов [20], а так же не были решены схемотехнические вопросы построения адаптивно-параметрических устройств.

При исследовании и разработке режимно - адаптивных устройств [18], не были достаточно исследованы цифровые методы адаптации оптоэлектронных входных устройств к виду принимаемых сигналов, определенных стандартами [1-3]. В большинстве практических случаев при подготовке ТО документального обмена к приему информации, необходимо было владеть априорной информацией о виде принимаемых сигналов, после чего требовалось вручную устанавливать соответствующий режим работы входного устройства [4] (с помощью тумблеров или заменой соответствующего блока в аппаратуре). Такой метод выбора режимов приводил к существенному увеличению времени готовности ТО к приему информации, что во многих случаях не обеспечивало требований по своевременности доведения оперативной и экстренной информации до потребителя.

Поэтому исследования изложенных проблемных вопросов в части способов построения и разработки адаптивных оптоэлектронных входных устройств (адаптивно- параметрических и режимно' - адаптивных) для сопряжения ТО документального обмена с физическими линиями связи представляются актуальными.

Цель работы - повышение точности регистрации дискретных сигналов и помехоустойчивости выбора режимов работы адаптивными оптоэлектрон-ными входными устройствами на предельных скоростях передачи сигналов, и в широком диапазоне температур.

Основными методами достижения цели являются математические и графо-аналитические методы.

Решаемые задачи для достижения поставленной цели:

1. Исследование возможностей обеспечения предельной точности регистрации биполярных сигналов.

2. Разработка и реализация метода предельной точности регистрации биполярных сигналов.

3. Разработка и реализация метода автокомпенсации краевых искажений при приеме биполярных сигналов с асимметрией амплитуд.

4. Исследование взаимосвязи между положением уровня регистрации однополярных сигналов с фиксированными амплитудами и величиной искажений сигналов при приеме.

5. Разработка методики расчета термостабильности уровня регистрации однополярных сигналов по критерию допустимых искажений.

6. Исследование взаимосвязи между амплитудами однополярных сигналов и величиной их искажений (при стабильном уровне регистрации).

7. Разработка адаптивно-параметрических способов и технических решений для регистрации однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами.

8. Исследование методов и разработка вариантов решений, обеспечивающих режимную адаптацию входных устройств.

9. Схемная оптимизация режимно - адаптивных входных устройств по критериям быстродействия и помехоустойчивости.

Методы исследований

Перечисленные задачи решены методами дифференциального исчисления, гиперболической тригонометрии, прямолинейной тригонометрии (решение треугольников), алгебраическими методами (показательные и логарифмические функции).

Научная новизна

1. Сформированы и обоснованы критерии предельной точности регистрации биполярных сигналов с симметричными амплитудами.

2. Впервые предложен и исследован метод автокомпенсации краевых искажений при приеме биполярных, сигналов со случайно изменяющейся асимметрией их амплитуд.

3. Установлены математические соотношения между допустимой относительной величиной искажений однополярных сигналов и относительным значением нестабильности уровня их регистрации для любых скоростей работы, в том числе и для предельных.

4. Впервые предложена методика расчета температурной стабильности уровня регистрации оптоэлектронного входного устройства при каскодном методе включения фотоприемников оптронов.

5. Теоретически обоснованы допустимые изменения диапазона уровней регистрации однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами.

6. Впервые предложены критерии построения адаптивных оптоэлек-тронных входных устройств для приема однополярных сигналов с точностью, близкой к предельной, в широком диапазоне действия дестабилизирующих факторов (температура, радиация).

7. Впервые предложены и исследованы методы режимной адаптации оп-тоэлектронных входных устройств и проведена их оптимизация по критериям быстродействия и помехоустойчивости.

Практическая значимость работы

1. Разработанные методы и методики расчета и проектирования адаптивных оптоэлектронных входных устройств, разработанные структурные и структурно-электрические схемы и схемные решения обеспечивают создание оптоэлектронных входных устройств повышенной эффективности, которые оптимизированы по точности регистрации дискретных сигналов, помехоустойчивости и времени выбора режима работы, обеспечивают работу в очень широком диапазоне температур (близком к предельному значению для оптоэлектронных элементов - оптронов) и на предельных скоростях работы. Возможность совмещения в новых устройствах адаптивно-параметрических и ре-жимно - адаптивных свойств практически полностью делает входные устройства автоматизированными и< универсальными и исключает необходимость участия операторов при эксплуатации таких устройств в составе автоматизированных комплексов документальной связи. Это сокращает время и повышает достоверность и надежность доведения оперативной и экстренной информации до потребителя.

2. Разработанные структуры адаптивных оптоэлектронных устройств позволяют реализовывать их на современной отечественной и зарубежной элементной базе, в том числе с использованием программируемых логических интегральных схем - ПЛИС, что создает предпосылки для их миниатюризации и возможности встраивания в средства вычислительной техники и систем управления.

3. На основе результатов диссертационной работы созданы принципиально новые технические решения оптоэлектронных входных устройств для сопряжения приемников дискретной информации с линиями связи. Все предложенные в диссертационной работе технические решения защищены 19 охранными документами на объекты интеллектуальной собственности (авторские свидетельства СССР на изобретения и патенты Российской Федерации), что позволяет рассчитывать на возможность заключения лицензионных соглашений и привлечение инвестиций при реализации инновационных проектов в области телекоммуникационных систем.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на ежегодных Всероссийских конференциях «Новые информационные технологии в системах связи и управления». — Калуга, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг. - 11 докладов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе: 11 статей - в трудах вышеназванных ежегодных конференций;

- 4 статьи — в журналах «Техника средств связи» (серия «Техника проводной связи»), журнале «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания»;

- 2 работы - в информационных листках о научно-техническом достижении.

Новые технические решения; рассмотренные в диссертационной работе, защищены^ 19 охранными документами (авторские свидетельства СССР на изобретения и патенты РФ).

Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований адаптивных оптоэлектронных входных устройств отражены в отчетах по научно-исследовательским работам и материалах опытно-конструкторских работ, проводимых в ФГУП «КНИИТМУ» (г. Калуга).

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены:

- ФГУП «Калужский НИИ-- телемеханических устройств» (ФГУП «КНИИТМУ») (г.Калуга) в телеграфном коммутационном комплексе^ узлов^связи (ТКК УС), который построен на базе адаптера телеграфного вось-миканального (АТ-8) (Приложение А, рис.А.1), в первом отечественном связном защищенном многофункциональном терминале (СЗМТ) документального обмена, в новом классе оптоэлектронных телекоммуникационных модулей МСД и МСТ для сопряжения ПЭВМ с АПД и терминалами телеграфного типа;

- ОАО «Концерн ПВО «Алмаз - Антей» (ОАО «Московский НИИ, приборной автоматики» - ОАО «МНИИПА») (г.Москва) в изделии 45Л6 - 1С, обеспечивающемфаботу по открытым и закрытым каналам связи;

- ФГУП «Калужский завод телеграфной аппаратуры (ФГУП «КЗТА»)» (г.Калуга) в терминальном оборудовании документального* обмена и технике связи специального назначения;

- ФГУП «НИИ «Масштаб» (г.Санкт-Петербург) в оптоэлектронных телекоммуникационных модулях аппаратуры 98Ф6М.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, списка литературы и приложений.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

Установлены причины краевых искажений биполярных сигналов, влияющие на точность их регистрации.

На основе математического анализа уравнений участков фронтов, в зоне которых происходит регистрация сигналов, сформированы и обоснованы критерии, выполнение которых обеспечивает предельную точность регистрации биполярных сигналов с симметрией амплитуд.

Разработан алгоритм и временная диаграмма преобразования биполярных сигналов, обеспечивающие предельную точность их регистрации.

На основе алгоритма разработаны^ структурные и схемные решения входного устройства, проведена их оптимизация по заданным критериям.

На основе анализа свойств биполярных сигналов с постоянной асимметрией амплитуд предложены метод, структурная и схемная реализация входного устройства, минимизирующие краевые искажения при приеме сигналов.

Разработан и теоретически обоснован метод автокомпенсации краевых искажений биполярных сигналов со случайно изменяющейся асимметрией амплитуд.

Предложено адаптивно-параметрическое входное устройство, в котором'реализован метод автокомпенсации краевых искажений биполярных сигналов при их приеме.

Показаны математические взаимосвязи между значениями уровней регистрации однополярных сигналов и их амплитудами; установлены критерии минимизации искажений сигналов.

Показано влияние температурных характеристик диодных оптронов на параметры входного устройства для регистрации однополярных сигналов.

Установлены критерии выбора параметров входных устройств, обеспечивающих максимальный запас устойчивости связи.

На основе предложенной методики расчета оптоэлектронного входного устройства разработано входное устройство с каскодным включением фотоприемников оптронов, обеспечивающее работу в температурном диапазоне минус 60 до плюс 85 °С на предельных скоростях.

Сформулированы требования к погрешностям настройки уровня регистрации < однополярных сигналов! и предложены варианты устройств, обеспечивающие прецизионную настройку.

Исследованы решения дифференциального уравнения физической линии (телеграфное уравнение) и их влияние на точность регистрации однополярных сигналов.

Показано, что. для минимизации краевых искажений однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами необходимо применение адаптивно-параметрических входных устройств.

Установлены принципиальные особенности построения адаптивно-параметрических устройств для различных каналов связи (коммутируемые или закрепленные).

Разработаны варианты адаптивно-параметрических устройств, и по результатам их оптимизации предложено входное устройство с повышенной стойкостью к действию дестабилизирующих факторов (температура, радиация, старение), не требующее настроек как при производстве, так и в эксплуатации.

Обоснована необходимость создания режимно - адаптивных входных устройств для автоматизированных систем документальной связи, когда отсутствует априорная информация о виде сигналов взаимодействия (однопо-лярные или биполярные).

Предложены и исследованы принципы построения режимно - адаптивных устройств.

Показано, что режимно - адаптивные входные устройства, использующие цифровой принцип адаптации, превосходят по помехозащищенности устройства на других принципах адаптации.

Разработано и исследовано универсальное режимно - адаптивное устройство, в котором совмещены функции адаптивно-параметрических устройств для регистрации однополярных и биполярных сигналов. Показана возможность программного управления режимами этого устройства от ПЭВМ.

Обоснована высокая степень универсальности предложенного устройства и целесообразность его использования как в действующем парке терминального оборудования документального обмена, так и в перспективных автоматизированных системах связи.

Результаты диссертационной работы успешно внедрены при выполнении разработок в интересах отрасли телекоммуникаций, в том числе по заказам МЧС и Минобороны России.

Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом эффект подтверждены соответствующим актом внедрения.

Диссертация в целом представляет собой научно-квалификационную работу, в которой впервые решаются задачи повышения надежности документальной связи за счет разработки и использования адаптивных оптоэлектрон-ных входных устройств.

1. ГОСТ Р 51026 97. Цепи внешние оконечных установок документальной электросвязи. Типы и основные параметры. - М.: Государственный стандарт Российской Федерации, 1997. — 11 с.

2. ГОСТ 22937 78. Цепи местные двухполюсные систем телеграфной связи и передачи данных. Типы и основные параметры. - М.: Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, 1978. — 6 с.

3. ГОСТ 25830 83. Цепи внешние телеграфных буквопечатающих старт-стопных аппаратов пятиэлементного кода. Типы и основные параметры. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1983. - 4 с.

4. Твердов Б.И., Оксман М.И., Сиваков В.Т. Телеграфная и факсимильная аппаратура: Справочник. М.: Радио и связь, 1986. — 248 с.

5. Кухарев А. Д. Терминальное оборудование телекоммуникационных систем нового поколения // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды III Российской научно-технической конференции. Калуга, 2004.- С. 100-106.

6. Принципы построения электронно-механических телеграфных аппаратов / Под ред. Б.П. Терентьева. М.: Связь, 1973. - 184 с.

7. Копничев JI.H. Принципы построения аппаратуры для передачи дискретной информации. М.: Связь, 1972. - 156 с.

8. Opto3lectronics applications manual / S. Gage, D. Evans, M. Hodapp, H. Sorensen New York. - Me Grow-Hill Book Company, 1977. - 266 p.

9. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. M.: Радио и связь, 1990. - 512 с.

10. Лагутенко О.И. Современные модемы. -М.: Эко-Трендз, 2002. 343 с.

11. Гелюх Л.А. Шведов Г.П. Приемное электронное телеграфное реле // Радиоэлектроника на службе* народного' хозяйства: Материалы региональной научно-технической конференции. Калуга, 1968. - С.152 - 155.

12. Свечников C.B. Элементы оптоэлектроники. М:: Советское радио, 1971.-287 с.

13. Авт. свид. №427472 (СССР) ■ Оптоэлектронный* переключатель / Э.В Ланыпин // Б .И. 1972. - №41.

14. Авт. свид. № 653744 (СССР). Оптоэлектронный переключатель / Ю.К Гришин, Э.В Ланыпин // Б.И. 1979. -№11.

15. Гришин Ю.К. Автоматизация выбора режима работы входного устройства телеграфного аппарата // Техника средств связи. Техника проводной связи. 1985. -Вып. 7. - С.45-51.

16. Гелюх Л.А. Анализ искажений оптоэлектронного входного устройства телеграфного аппарата // Вопросы радиоэлектроники. Техника проводной связи. 1975. - Вып. 11,- С.45-51.

17. Ланыпин Э.В., Гришин Ю.К., Гелюх Л.А. Новые принципы построения оптоэлектронных входных устройств // Техника средств связи. Техника проводной связи. 1978. - Вып. 10. - С.52-55.

18. Гришин Ю.К., Мазин A.B. Повышение точности регистрации биполярных дискретных сигналов // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VII Российской научно-технической конференции. Калуга, 2008. - С.415-422.

19. Коваленков В.И. Устанавливающиеся электромагнитные процессы вдольпроводных линий. М.:АН СССР, 1945. - 142 с.

20. Чепиков А.П., Парфенов Ю.А., Рассохин Э.В. Передача дискретной информации по кабелям ГТС. М.: Связь, 1979. - 104 с.

21. Гришин Ю.К., Мазин A.B. Об обеспечении предельной точности регистрации биполярных дискретных сигналов. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2008. - Вып. 1,2. - С.141—144.

22. Гук М. Аппаратные интерфейсы П.К. Энциклопедия. СПб.: Питер, 2003.-528 с.

23. Жуковский А.Я., Дмитриева Л.П. Влияние воздействия радиации на арсенид галлия и лазерные диоды на его основе // Зарубежная электронная техника. 1973. - № 20. - С. 18-23.

24. Игумнов Д.В. Особенности применения оптронов в режиме малых токов. -М.: Энергия, 1979. 72 с.

25. Авт. свид. №513497 (СССР) Оптоэлектронный переключатель / Э.В Ланьшин, Ю.К. Гришин // Б.И. 1976. - №17.

26. Гришин Ю.К. Об одном способе исключения краевых искажений при приеме биполярных сигналов // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды IV Российской научно-технической конференции. Калуга, 2005. - С.268-271.

27. Авт. свид. №739423 (СССР) Устройство для регистрации двухполярных импульсов тока. / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланьшин // Б.И. 1980. - №21.

28. Патент № 44904 (РФ) Оптронное устройство для приема биполярных сигналов / Ю.К. Гришин // Б.И. 2005. - №9.

29. Носов Ю.Р. Быстродействующие диодные оптроны типа АОДЮ1А.Д // Приборы и системы управления. 1974. — №12. - С.37-39.

30. Горохов В.П., Олеск А.О. Резисторные оптроны // Приборы и системы управления. 1979. - №7. - С.91-92.

31. Олеск А.О. Фоторезисторы. -М.: Энергия, 1966. 145 с.

32. Варламов И.В. Транзисторные оптроны // Приборы и системы управления. 1977. - №12. - С.35-39.

33. Гаршенин В.В., Купцов Ю.Ф., Чарыков С.А. Оптоэлектронная пара на составном транзисторном приемнике — новый тип ключевого оптрона // Электронная техника. Сер. 2 — Полупроводниковые приборы. 1977. -№6. - С.61-66.

34. Берг А., Дин П. Светодиоды: Пер. с англ. М.: Мир, 1973. - 107 с.f 39. Магдич JI.H., Панкратов В.М. Модуляторы света // Электроннаяпромышленность. 1976. - Вып.З. - С.74-76.

35. Effect of neitron irradiation on Ga AS Palectroluminescent diodes / A. Epstein,

36. M. Shares, R. Polimadei // Appl. Phys. Letts (New York). 1973. - №8.1. P.472-474.

37. Носов Ю.Р. Многоканальные оптроны типа АОД 109А-И // Приборы и системы управления. 1979. - №12. - С.37-40.

38. Патент № 58821 (РФ) Оптронное устройство для регистрации двухполяр-ных телеграфных посылок / Ю.К. Гришин // Б.И. 2006. - №33.1

39. Мальцев В.А. Многопороговые компараторы на оптронах // Известия ВУЗ'ов. Приборостроение. 1977. - Т.ХХ, №5. - С.63-65.

40. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Советское радио, 1980. - 224 с.

41. Авт. свид. №938422 (СССР) Устройство для регистрации импульсов тока / Ю.К Гришин // Б.И. 1982. - №23.

42. Олыпевски Б.А. Дифференциальный оптрон — средство повышения линейности и стабильности // Электроника. — 1978. — №2. — С.48—54.

43. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. — М.: Советское радио, 1977. 232 с.

44. Носов Ю.Р., Сидоров A.C. Оптроны и их применение. М.: Радио и связь,1981.-280 с.

45. Ланыпин Э.В., Гришин Ю.К., Гелюх JI.A. Исследование термостабильности уровня регистрации оптоэлектронного входного устройства телеграфного аппарата РТА-80 // Техника средств связи. Техника проводной связи. 1980. - Вып. 7. - С.67-70.

46. Гришин Ю.К. Новые принципы построения оптоэлектронных входных устройств // Техника средств связи. Техника проводной связи. 1978. -Вып. 10. - С.52-55.

47. Гришин Ю.К., Тихова Н.У. Входное оптоэлектронное устройство // Информационный листок о научно-техническом достижении / ВИМИ. — 1984. №84-2368. (УДК 621.394.6).

48. Гришин Ю.К., Тихова Н.У. Универсальное входное устройство электронного телеграфного аппарата // Информационный листок о научно-техническом достижении / ВИМИ. 1984. - №85-0565. (УДК 621.394.62).

49. ГОСТ 15607 84. Аппараты телеграфные буквопечатающие стартстопные пятиэлементного кода1. Основные параметры и общие техническиетребования. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1984. — '18 с.

50. Принципы построения электронно-механических телеграфных аппаратов / Под ред. Б.П. Терентьева. М.: Связь, 1973. - 184 с.

51. Угрюмов Е.П., Цифровая схемотехника: Учебное пособие для вузов. СПб.: БХВ - Петербург, 2004. - 800 с.

52. Авт. свид. №493025 (СССР) Оптоэлектронный переключатель /Э.В. Ланыиин, Ю.К. Гришин // Б.И. 1975. - №43.

53. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Пер. с англ. — М.: Мир; 1993.-Т. 1-413 с.

54. Авт. свид. №792590' (СССР)' Оптоэлектронный переключатель / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланыиин // Б.И. 1980. - №48.

55. Авт. свид. №1029411 (СССР) Оптоэлектронный ■ переключатель / Ю.К. Гришин // Б.И. 1983. - №26.

56. Полехин С.И. Теория связи по проводам. М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1960. - 462 с.

57. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. 13-е изд. - М.: Наука, 1980. - 976 с.

58. Авт. свид. №738170 (СССР) Оптоэлектронное входное устройство / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланыпин, Л.А. Гелюх // Б.И. 1980. - №20.

59. Авт. свид. №790317 (СССР) Оптоэлектронный ключ / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланыиин // Б.И. 1980. - №47.

60. Авт. свид. №587624 (СССР) Оптоэлектронное входное устройство / Л.А. Гелюх, Ю.К. Гришин, Э.В. Ланынин // Б.И. 1978. - №1.

61. Авт. свид. №711687 (СССР) Оптоэлектронное входное устройство / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланынин, Л.А. Гелюх // Б.И. 1980. - №3.

62. Патент № 75902 (РФ) Оптоэлектронное устройство для приема однопо-лярных сигналов с переменной амплитудой / Ю.К. Гришин // Б.И. — 2008.-№24.

63. Авт. свид. №745333 (СССР) Оптоэлектронное входное устройство / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланыпин, Н.У Тихова. 1980. д.с.п.

64. Вавилов B.C. Действие излучений на полупроводники. М.: Физматгиз,1963.-264с.

65. Гришин Ю.К. К вопросу построения адаптивных входных устройств приемников дискретной информации // Новые информационные технологии в системах связи и управления: Труды VI Российской научно-технической конференции. Калуга, 2007. - С.267-270;

66. Элементы теории передачи дискретной информации / Под ред. Л.П. Пуртова. М.: Связь, 1972. - 420 с.

67. Авт. свид. № 653744 (СССР). Оптоэлектронный переключатель / Ю.К Гришин, Э.В Ланыпин // Б.И. 1979. -№11.

68. Авт. свид. №789799 (СССР) Устройство для регистрации двухполярных импульсов тока / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланыпин // Б.И. 1980. - №47.

69. Авт. свид. №1053316 (СССР) Устройство для регистрации телеграфных посылок / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланыпин, Б.И. Твердов // Б.И. — 1983. -№41.

70. Патент № 253284 (ЧССР) Устройство для регистрации телеграфных посылок / Ю.К. Гришин, Э.В. Ланынин, Б.И. Твердов: Приоритет от 19.09.1983. Опубликован 1988.

71. PATENTSCHRIFT DD № 243198 A3 (DDR) Einrichtung zur Registrierung on Telegrafilimp-ulsen / Jurij K. Grisin. 1987.

72. Авт. свид. №1176810 (СССР) Устройство для регистрации телеграфных посылок / Ю.К. Гришин, Ф.Н. Руденко, Э.В. Ланынин. 1985. д.с.п.

73. Авт. свид. №1263183 (СССР) Устройство для регистрации телеграфных посылок / Ю.К. Гришин. 1986. д.с.п.

74. Авт. свид. №1347856 (СССР) Устройство для регистрации телеграфных посылок / Ю.К. Гришин. 1987. — д.с.п.

75. Авт. свид. №1366030 (СССР) Устройство для регистрации телеграфных посылок / Ю.К. Гришин, Сахарчук С.И. 1987. д.с.п.

76. Патент № 62756 (РФ) Оптоэлектронное устройство для приема дискретных сигналов / Ю.К. Гришин // Б.И. 2007. - №12.