автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Исследование методов измерения фазочастотных искажений линейных трактов

Г Б ОА

ч гг ,, МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В

Московский технический университет связи и информатики

На правах рукописи

Омла Ясер

УДК 621.317:621.391

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОЧАСТОШЫХ ИСКАЖЕНИЙ ЛИНЕЙНЫХ ТРАКТОВ

Специальность 05.12.02 — Системы и устройства передачи

информации по каналам связи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —1994

Работа выполнена на кафедре метрологии, стандартизации и измерения в технике связи Московского технического университета связи и информатики.

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент

А.В. Кандинов

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

академик М.Д. Венедиктов — кандидат технических наук . О.И. Гурин

Ведущая организация — Санкт-Петербургский электротехнический институт связи

00

Защита состоится "13 "¿И^гчЛ^гЛ. 1994 г. в часов на заседании специализированного совета К 188.06.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском техническом университете связи и информатики.

Адрес: 105855, ГСП, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8—а, МТУСИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " " 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 118.06.03, к.т.н., доцент

О.В. Матвеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тема диссертации актуальна, так как ее результаты могут бьгть использованы для создания дискретных методов измерения линейных искажений и цифровых средств, реализующих эти методы, что необходимо для оценки достоверности передачи данных (ПД) в каналах тональной частоты (ТЧ).

я

Потребность в ПД возникла, когда уже сложились телефонная и телеграфная сеть, в которой не предъявлялось жестких требований по фазовым искажениям и групповому времени запаздывания (ГВЗ).

Зависимость ГВЗ от частоты и его стабильность, а также нелинейность фазочастотной характеристики (ФЧХ) оказывают значительное влияние на достоверность ПД, особенно при работе в каналах большой протяженности. Поэтому при ПД по каналам ТЧ к последним предъявляются повышенные требования по фазо— частотным искажениям (ФЧИ), а существующие приборы и методы делают контроль канала по этим параметрам сложным и ненадежным, затрудняют автоматизацию процесса контроля.

Цель и задачи работы. Основной целью диссертационной работы является исследование дискретных методов измерений ФЧИ в каналах ТЧ. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, включая теоретическое исследование и проведение экспериментов на ЭВМ по оценке погрешностей измеряемой величины из —за различных факторов, действующих в канале ТЧ, и компенсации погрешности, возникающей из —за отличия частот местного генератора и измерительного сигнала, а также программного обеспечения измерительного аппарата.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод измерения ФЧИ на основе дискретной и цифровой техники.

2. Оценка погрешностей измерения ФЧИ с учетом влияния шума в канале и ряда других факторов.

3. Принципы аппаратной реализации устройства на основе разработанного метода.

о

4. Программное обеспечение устройства ФЧИ.

5. Обоснование аппаратной и программной реализации прибора для измерения ФЧИ.

Методы исследования — при решении поставленных задач автором использовались методы математического анализа, теория передачи сигналов, статистическая радиотехника. Для оценки основных положений, относящихся к погрешностям измеряемого ФЧИ,проведен соответствующий эксперимент с помощью машинного моделирования.

Научная новизна данной работы - предложен, обоснован и исследован цифровой метод измерения ФЧИ, позволяющий эффективно оценивать ФЧИ канала ТЧ, включающий:

1. Получение новых алгоритмов для измерения ФЧИ.

2. Обоснование формы измерительного сигнала, удобного для генерации и последующей обработки.

3. Исследование устойчивости предложенного метода к помехам различного вида.

4. Оценку ФЧИ реального канала ТЧ предложенным методом, путем математического моделирования на ЭВМ.

5. Разработку способов аппаратной реализации предложенного метода на основе микропроцессора (МП).

6. Разработку программ для МП К580 для вычисления по предложенному алгоритму с оценкой погрешности за счет вычислительных процедур с ограниченным числом разрядов.

7. Обоснование единого подхода к оценке ФЧИ модулированных и немодулированных колебаний.

*

Личный вклад ~ Использованные в диссертации результаты исследований получены лично автором.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том, что разработанный метод измерения ФЧИ можно использовать в учебном процессе на кафедре метрологии, стандартизации и измерений в технике связи и в университетах Сирийской арабской республики.

Предлагаемый метод и полученные при моделировании численные результаты позволяют предложить новый способ адекватной оценки и нормированные ФЧИ канала ТЧ.

Апробация работы — Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно—технических конференциях профессорского и преподавательского состава, сотрудников научно —исследовательской части и аспирантов МТУСИ в 1991 — 1993 гг., на заседаниях научного семинара кафедры МСиИТС с привлечением сотрудников кафедры МЭС.

Публикация работы — по материалам диссертации опубликованы две печатные работы.

Структура и объем работы - диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Общий объем составляет 175 страниц, из них 75 страниц основного машинописного текста, 31 рисунок, 19 таблиц, 44 страницы приложений, 5 страниц библиографии, содержащей 56 наименований. *

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы, указаны цели исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, определена научная новизна, указаны объем и структура работы. Представлены сведения об апробации основных положений диссертации.

В первой главе сделан обзор существующих методов измерений группового времени запаздывания в каналах ТЧ.

В результате проведенного анализа показано, что принятое в настоящее время нормирование ФЧХ не позволяет оценить ФЧИ при передаче данных в каналах ТЧ. Кроме того, в главе 1 показано, что применяемые методы оценки ФЧИ реализуются в аналоговом виде, что не обеспечивает нужного качества измерений.

Вторая глава посвящена разработке дискретных методов измерения ФЧИ в каналах ТЧ.

Смысл разрабатываемого метода заключается в использовании следующего свойства: если на вход линейного устройства подать

сигнал, обладающий центральной симметрией (описываемой нечетной функцией относительно центра симметрии), то при отсутствии ФЧИ он сохранит свою симметрию при прохождении через тракт при любой форме амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Потеря симметрии происходит только за счет ФЧИ. В последнем случае выходной сигнал можно разложить на две части, описываемые четной и нечетной функциями. Тем самым четную и нечетную части выходного сигнала можно использовать для оценки ФЧИ.

Действительно, если задана периодическая функция времени f(t), то выбрав на оси времени момент tg, получим формулы:

/ (/) = /('о + 0 + /Со-о

Коэффициент фазочастотных искажений тракта (Кф) можно определить как отношение среднего квадратического значения четной части выходного сигнала к среднему квадратическому значению всего выходного сигнала.

Спектр измерительного сигнала (ИС) в виде нечетной функции представляет собой сумму синусоид, если за начало отсчета времени взят центр симметрии. Ширина спектра ИС должна соответствовать полосе пропускания тракта. Число компонент спектра ИС определяется числом точек на оси частот, которое может быть признано достаточным для оценки возможной нелинейности ФЧХ. В большинстве случаев это число не будет превышать десяти.

Далее, возникает вопрос об амплитудах отдельных компонент частотного спектра сигнала. Если искажения во всех частях полосы пропускания имеют одинаковое значение, т(? очевидно все компо — ненты спектра ИС должны иметь равные амплитуды.

> и

При использовании предлагаемого метода для измерения ФЧИ сигналов в форме модулированного колебания необходимо использовать И С в форме амплитудно—модулированного колебания.

ГТри реализации данного метода возникает существенное затруднение, связанное с определением момента времени, относительно которого следует производить разложение выходного сигнала на четную и нечетную части. Для решения этой задачи надо создать добавление в измерительный сигнал фрагмента, создающего временную отметку, расположенную по отношению к на известном растоянии.

В качестве такого фрагмента используются биения суммы двух гармонических колебаний с равными амплитудами и близкими частотами, расположенными в середине полосы пропускания исследуемого тракта.

Временной отметкой для последующего нахождения точки в этом случае служит обращение в нуль амплитуды биений. Такой вспомогательный фрагмент ИС должен предшествовать основному.

Учитывая, что каждая из двух частей ИС будет в начале искажаться переходными процессами в исследуемом канале, они должны состоять как минимум из двух периодов каждая. Для измерения ФЧИ предназначен второй неискаженный переходными процессами период.

Однако дискретные отсчеты выходного сигнала нельзя привязать к определенным его точкам, поскольку моменты дискретных отсчетов могут задаваться только независимым генератором. В этих случаях надо считаться с возможностью расположения момента между двумя дискретными отсчетами. Это приводит к погрешности разложения выходного сигнала на четную и нечетную части и, следовательно, к погрешности определения Кф.

Если на одном периоде ИС имеется 64 дискретных отсчета и

точка лежит посередине между двумя отсчетами, тогда получим Кф = 0.19.

При применении линейной регресии

я

Лъя-пх у

Я = -

I- 1

для нашего случая формула приобретает вид: А , п +1 хЦ I л +1 ^

В _ __ _* >■!_

А.2 п(п +1)2 я(я + 1)(2л + 1) я(л + 1)г

Ь 6

поскольку роль х/ играет номер гармоник к, роль у,- — п »=1 2 6

Линейная составляющая а^ угла поворота вектора к—ой гармоники равна а = •

Угол поворота вектора гармоники за счет ФЧИ ^ = ф4 - а*. Тогда косинусная составляющая гармоники а'к = Бту* т]ак2 + Ь^ .

Скорректированное значение Кф =

5Х

Проверка эффективности предлагаемого метода измерения ФЧИ и оценка погрешности проводилась путем моделирования на ЭВМ.

При этом моделью испытуемого линейного тракта служит цифровой фильтр, который обладает параметрами, достаточно

близкими к параметрам этого тракта. Это в первую очередь относится к полосе пропускания и форме амплитудно-частотной и фазочастотной характеристики.

Для звеньев цифрового фильтра низких частот (ФНЧ) отсчеты входного и выходного сигналов связаны выражением

у, =-4>х* +А + A + в\ у,- 1 + в2 у,-2 ,

, А_, _1 ,, _ 2 р 2 (г2 - 1)

fine

где у,— дискретные отсчеты выходного сигнала; Xj — дискретные отсчеты входного сигнала; *дис ~ частоты дискретизации; ¡2 — верхняя граница тракта; N — число звеньев второго порядка; J — номер звена второго порядка.

Для звена второго порядка цифрового фильтра ВЧ справедливо выражение:

У* = Q \ + С, + С, я,., + £>, >-„_, + Д ,

1 -2

где С0 = С2 = -т—---; С, =

у2 + у + 1' 1 у2 + Л, у + 1'

2(-ЛП . _ А у + Г =%(*-£-}, ¿, = 1,41421.

/дис

Такой тракт мало пригоден для оценки погрешности результата измерений от различных мешающих факторов. Поэтому потребовалось использовать еще модель тракта с идеальной ФЧХ, который в принципе не должен создавать ФЧИ, передаточная

функция этого фильтра

1-1 /л«

В качестве модели такого идеального тракта использовался симметричный нерекурсивный цифровой ФНЧ.

Модель линейного тракта без фазочастотных искажений можно создать и на базе рекурсивного цифрового фильтра при условии, что сигнал проходит через нет дважды. Поэтому пришлось ограничиться сокращением в два раза числа звеньев НЧ и рассчитать новые граничные частоты.

Измерительный сигнал должен задаваться последовательностью дискретных отсчетов периодической функции времени.

Для модулированного сигнала частота модуляции 225 Гц (в 8 раз меньше несущей). При этом на одном периоде И С помещается 64 дискретных отсчета.

В полосе пропускания тракта помещается шесть пар боковых частот, что определяет спектр моделирующего сигнала: он должен содержать 6 гармоник. Амплитуды боковых равны единице и амплитуда несущей равна 12.

Немодулированный ИС взят с частотой 450 Гц, чтобы ограничить число гармоник, как и у модулирующего сигнала, шестью. При этом на одном периоде имеется 32 дискретных отсчета.

Результаты моделирования измерения ФЧИ для трех случаев при АМ измерительном сигнале помещены в таблице 1 , и для не — модулированного измерительного сигнала приведены в таблице 2 .

Таблица 1.

а, Ь,

0.0983933 1.269722

0.12681127 1.266887

0.1200733 1.267684

0.049218 1.26468

-0.1370616 1.227187

-0.5177006 1.012583

К. =0.188359 Ф

ai Ь,

-0.0009393 1.211105

-0.0020611 1.195182

-0.00104605 1.19576

-0.0062938 1.215582

-0.002233 1.22449

-0.0020613 1.179916

Кф = 0.0025168

а, Ь,

0.0258208 1.109687

-0.0013259 1.09125

-0.029296 1.07387

-0.049305 1.05413

-0.0411324 1.018006

-0.047937 1.903581

=0.0348407

Таблица 2.

а, bi

0.9130204 -0.015476

0.993657 0.0114373

0.9559119 -0.289557

0.823725 -0.566503

0.6919133 -0.721929

0.702897 -0.710904

К^=0.8682786 Ф

ai Ь,

-1.05-Ю-8 1.006467

-2.17-10-8 0.998777

— 3.34- Ю-8 0.994548

-5.25-10~8 1.0112375

— 4.34- Ю-8 0.985694

-6.71-Ю-8 1.015266

К. =4.24-Ю-8 Ф

ai Ь,

0.000682804 1.06530181

0.000348240 1.0895944

0.0002311902 1.0896478

0.000203146 1.0848752

0.000236099 1.0769164

0.000324537 1.06446964

К. =0.0176906

Как видно из таблиц, численное значение коэффициента ФЧИ (Кф) однозначно связано с величиной нелинейности ФЧХ.

Материал II главы позволил сделать следующие выводы:

1. Предлагаемый метод позволяет с единых позиций оценить фазочастотные искажения модулированных и немодулированных колебаний.

2. Получаемая оценка искажений в виде числа позволяет однозначно сравнивать величину искажений нескольких трактов.

3. Возможность применения цифровой техники при реализации предложенного метода обеспечивает автоматизацию измерений и высокую надежность измерительного устройства.

4. Показано, что возможность измерять фазочастотные искажения АМ—колебания, создаваемые асимметрией АЧХ тракта по отношению к частоте несущей, открывают новые возможности для построения измерителей ФЧИ.

5. Указан способ нахождения в выходном (искаженном) сигнале точки, относительно которой должно производиться разложение, выходного сигнала на четную и нечетную части, что облегчает реализацию предлагаемого метода.

В третьей главе рассматривается применение фазовых алгоритмов для измерения ФЧИ.

Для объективной оценки предлагаемого метода измерения ФЧИ необходимо было оценить погрешности измерения, создаваемые различными мешающими факторами, такими как нелинейные искажения испытуемого канала и возможные помехи. В качестве последних учитывались гармонические помехи и шум с нормальным распределением.

Действие всех трех источников оценивалось путем моделирования на ЭВМ.

Структурная схема программы для модели реального канала ТЧ (рекурсивный цифровой фильтр с 6 — ю звеньями НЧ второго порядка и одним звеном' ВЧ второго порядка) и измерительного сигнала в форме АМ —колебания приведена на рис. 1 .

Источники погрешностей вводились не все одновременно, а по одному с тем, чтобы оценить роль каждого количественно.

Влияние шумов на результат измерения Кф для трех моделей линейного тракта при модулированном и немодулированном изме — рителыюм сигнале помещены в таблице 3 . Как видно из.результатов, влияние шумов при немодулированном сигнале по мере роста ФЧИ в тракте влияния шума уменьшается. Этот вывод подтверждается при расчете ФЧИ в модели идеального канала (нерекурсивный фильтр НЧ).

Эффект нелинейных искажений создавался путем возведения измерительного сигнала во вторую и третью степени и добавления результатов этих операций к исходному ИС после умножения на выбранные коэффициенты.

"па = + О}"*',

где ивых, пвх — средние квадратические значения выходного и входного сигнала,

а1> а2> а3 — постоянные коэффициенты.

Результаты моделирования измерений Кф под влиянием нелинейных искажений приведены в таблице 3 .

Влияние нелинейных искажений проявляется более сильно, чем шумы.

Величина влияния гармонической помехи оценивалась для двух частот этой помехи 300 и 400 Гц. Как видно из таблицы результатов моделирования, гармоническая помеха оказывает наименьшее

Рис. 1.

Структурная схема алгоритма вычисления кф в реальном канале ТЧ при модулированном измерительном сигнале с

шумами

Таблица 3.

Модулированный сигнал Немодулированный сигнал

Кф Кфш Кфн КфГ(300Гц) Кфг (400 Гц) Кф Кфщ Кфн КфГ (зоо г« Кфг («о Гц)

1 0.188359 0.195949 0.201279 0.1910413 0.1913194 0.66827 0.870793 0.8681541 0.869349 0.867165

2 0.0025168 0.027926 0.0417832 0.0177401 0.0175782 4.24-10-е 0.015262 0.021785 0.0067346 0.005849

3 0.0348407 0.029433 0.0519174 0.035574 0.035094 0.0176906 0.0177641 0.018055 0.017648 0.0173573

1 — в реальном канале ТЧ.

2 — в идеальном канале ТЧ.

3 — з канале с идеальной ФЧХ, получаемой двухкратным прохождением сигнала в противоположные стороны

Кф — коэффициент фазочастотных искажений без мешающих факторов;

Кфш — под влиянием шумов;

Кфн — под влиянием нелинейных искажений;

Кфг — под влиянием гармонических помех.

влияние на коэффициент Кф по сравнению с шумами и нелинейными искажениями.

' В четвертой главе разработана структурная схема измерителя ФЧИ в каналах ТЧ. Она состоит из передающей части, обеспечивающей измерительный модулированный сигнал на частоте

несущего колебания 1800 Гц.

* о

Минимальная частота дискретизации взята.равной 14400 Гц, с тем, чтобы на одном периоде несущей было 8 дискретных отсчетов.

Частота модуляции взята в 8 раз ниже частоты несущей, т.е. 255 Гц, при этом на одном периоде измерительного сигнала помещается 64 дискретных отсчета, что удобно для вычислений в двоичной арифметике при реализации метода с применением микропроцессора.

Приемная часть состоит из блока аналого-цифрового преобразователя и устройства выборки и хранения, обеспечивающего получение мгновенного' значения входного сигнала и цифрового измерительного устройства, имеющего в своем составе микропроцессор и интерфейс ввода—вывода, управляемого микропроцессором.

Исследовано влияние разрядности чисел, выражающих значения дискретных отсчетов измерительного сигнала,и чисел, используемых для их дальнейшей обработки. Установлено также, что для последних достаточно использовать восьмиразрядные двоичные числа в форме с плавающей запятой.

Показано, что достаточно использовать восьмиразрядный микропроцессор, сохраняя требуемую точность и быстродействие. Дискретные отсчеты должны записаться за время не больше 5 мс.

Составлена также программа вычисления коэффициента ФЧИ. Структурная схема программы для обработки дискретных отсчетов " сигналов на приемной стороне изображена на рис. 2 .

Рис. 2.

Структурная схема программы для обработки дискретных отсчетов сигналов на приемной стороне

20

Заключение

Использование дискретных методов измерения фазочастотных искажений в канале ТЧ, предназначенных для передачи данных, позволяет полностью автоматизировать весь процесс измерения, ускорить и упростить оценку пригодности канала для этих целей.

Учет специфических особенностей дискретизированного сигнала дает возможность унифицировать и сделать универсальными измерительные устройства. Увеличение числа измерительных функций при необходимости возможно проводить расширением математического обеспечения прибора.

Основные итоги работы могут быть сведены к следующему:

1. Предложен новый метод измерения фазочастотных искажений в линейных трактах, применимый к модулированным и немодулированным колебаниям. Предложенный метод обеспечивает степень точности, необходимую для канала ТЧ при передаче данных.

2. Проанализированы возможные формы измерительного сигнала и выбран конкретный вид сигнала, удобный для генерации и последующей обработки при измерении ФЧИ.

3. Произведена проверка предложенного метода на модели канала с идеальной фазочасготной характеристикой, при которой получено значение коэффициента фазочастотных искажений близкое к нулю, а также фазочастотных искажений канала ТЧ с реальной фазочастотной характеристикой, при этом получено значение коэффициента искажений порядка 0.18. Таким образом показано, что оценка с помощью этого коэффициента адекватна ФЧИ.

4. Предложенный в диссертации метод измерения ФЧИ основан на сравнении степени несимметричности измерительного сигнала. Поэтому принципиальную роль играет способ анализа этой несимметричности. Произведено сравнение нескольких способов обработки выходного сигнала для количественной оценки четной и нечетной частей огибающей. Показано, что наиболее эффективным является способ числового анализа частотного спектра, что послужило основой для построения измерителя.

5. Произведена оценка погрешности предложенного метода из —за влияния нелинейных искажений и шумов в канале ТЧ и за счет ограничения числа разрядов в дискретных отсчетах выходного сигнала. Показано, что отсчеты могут быть представлены одно — байтовыми числами.

6. Предлагаемый метод и полученные при моделировании численные результаты позволяют предложить новый способ адекватной оценки и нормирования ФЧИ канала ТЧ, пригодный для передачи данных.

Основные результаты работы изложены в следующих работах:

1. Омла Ясер. Методы измерения ГБЗ в каналах ТЧ. Хомс Альуруба № 8321 от 19.08.92.

2. Омла Ясер. Фазовые искажения в телефонном канале. Хомс Альуруба № 8334 от 17.03.93.

3. Омла Ясер. Кандинов А.В, Оценка фазочастотных искажений в канале ТЧ по изменении формы специального измерительного сигнала / Тезисы докладов. Научно—техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных и инженерных работников и аспирантов, 1992. с. 52.

4. Омла Ясер. Кандннов A.B. Дискретный метод оценки фазочастотных искажений в канале ТЧ / Тезисы докладов. Научно—техническая конференция профессорско—преподава— ^тельского, научного и инженерно—технического состава, 1993. с. 39.

Подписано в печать 30.06.94. Форш? 60x84/15. Печать офсетная. Объем 1,2 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ 233. Бесплатно.

ООП МП "Информсвязьизцат". Москва, ул. Авиамоторная, 8.