автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методы измерения параметров эхо-сигналов в коммутируемых каналах передачи данных

На правах рукописи

ЗАХАРБНКОВ Виктор Евгеньевич

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭХО-СИГНАЛОВ В КОММУТИРУЕМЫХ КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Специальности: 05.12.13 — Системы, сети и устройства

телекоммуникаций; 05.11.01 — Приборы и методы измерения (электрические величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2005

Работа выполнена в Пензенском государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Щербаков М. А.

Научный консультант — доктор технических наук

Султанов Б. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Шахов Э. К.; кандидат технических наук Шевченко В. П.

Ведущая организация — Пензенский филиал

ОАО "Волгателеком".

Защита диссертации состоится 24 июня 2005 г., в _ часов,

на заседании диссертационного совета Д 212.186.04 Пензенского государственного университета по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан "_"_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Смо1унов В. В.

\xQui

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное развитие персональных компьютеров и компьютерных технологий потребовало создания разветвленных вычислительных сетей, основой которых являются сети передачи данных. Каналы сетей передачи данных организуются на базе типовых существующих каналов электросвязи, построенных, как правило, на основе телефонной сети общего пользования (ТФОП). Параметры каналов оказывают определяющее влияние на возможности передачи данных. Вместе с тем качество отечественной коммутируемой телефонной сети во многих случаях не соответствует международным стандартам, что порождает ряд специфических трудностей, возникающих при передаче данных по российским телефонным линиям. В немалой степени проблема качества коммутируемой ТФОП обусловлена тем фактором, что до сравнительно недавнего времени не существовало общих норм на электрические параметры каналов сети ТФОП. Это объяснялось как объективными трудностями выработки подхода к нормированию параметров сети, так и отсутствием технических средств, предназначенных для комплексного проведения соответствующих измерений.

Вопросы измерения параметров каналов связи рассматривались в работах таких отечественных и зарубежных ученых и возглавляемых ими коллективов, как Хромой Б. П., Кушнир Ф. В., Савенко В. Г., Верник С. М., Елизаров А. С., Найквист X., Витке П., Пенстон С., Кейтли Р. и др. Однако, несмотря на отмеченные достижения, ряд проблем, возникающих в рассматриваемой области, по-прежнему нельзя считать полностью решенными. К их числу, в частности, относится задача измерения параметров эхо-сигналов, возникающих при дуплексной передаче данных по российским каналам сети ТФОП. В большинстве работ отечественных авторов, посвященных построению модемов, рассматривалась ситуация передачи данных по четырехпроводным линиям с разделенными направлениями передачи и приема. Вместе с тем в эпоху персональных компьютеров актуальной является организация высокоскоростной передачи данных от абонента к абоненту, что предполагает создание дуплексных модемов, обеспечивающих одновременную двустороннюю работу по коммутируемым двухпроводным абонентским линиям. В таких устройствах необходимо решать проблему подавления эхо-сигналов, возникающих вследствие принципиальной невозможности полного разделения направлений передачи и приема при сопряжении четырех и двухпроводных участков случайным образом коммутируемого

ЮС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 БИБЛИОТЕКА I

О» *»,?•«

канала. Единственным известным способом решения этой проблемы при создании средне- и высокоскоростных модемов в настоящее время является компенсация эхо-сигналов с помощью адаптивных устройств, называемых эхокомпенсаторами. Общие принципы построения эхокомпенсаторов известны и реализованы в импортных модемах. Естественно, что разработка эхокомпенсаторов и включение их в состав устройств преобразования сигналов является необходимым условием обеспечения технических возможностей создания конкурентоспособных отечественных модемов. Однако решение этой задачи, равно, как и решение проблемы адаптации импортных модемов к российским условиям, существенно осложняется полным отсутствием информации о параметрах эхо-сигналов, возникающих в отечественных коммутируемых телефонных каналах. Данная ситуация обусловлена тем, что до сравнительно недавнего времени потребность в такой информации отсутствовала, поскольку в нашей стране вообще не ставилась задача построения двухпроводных дуплексных модемов. Поэтому эти параметры каналов не исследовались и никак не нормировались. В связи с этим в настоящее время проблема измерения параметров эхо-сигналов в российских каналах весьма актуальна.

Ввиду особенностей структуры эхо-сигналов осуществление такого эксперимента представляет сложную научно-техническую задачу, требующую проведения теоретических исследований и разработки новых подходов к измерению отдельных параметров. При этом представляет практический интерес приложение полученных результатов к задачам оценки параметров канала в процессе быстрой инициализации эхокомпенсаторов модемов. Все вышеизложенное позволяет сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Целью работы является исследование и разработка новых способов цифрового измерения параметров эхо-сигналов в коммутируемых каналах передачи данных, задачи «тедал™^™?

1. Анализ проблемы измерения параметров эхо-сигналов, возникающих при дуплексной передаче данных по двухпроводным коммутируемым каналам и обзор методов решения возникающих при этом задач.

2. Теоретическое обоснование кругового корреляционного метода измерения импульсной характеристики тракта возникновения эхо-сигналов и анализ погрешностей, возникающих при его прак-

тической реализации. Синтез тестовой последовательности, позволяющей устранить методическую погрешность измерения.

3. Разработка структур и анализ погрешностей измерителей ухода частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха с использованием цифровых систем фазовой синхронизации.

4. Разработка нового метода быстрой инициализации адаптивных эхокомпенсаторов.

5. Измерение эхо-сигналов в отечественных каналах.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы цифровой обработки сигналов, автоматического регулирования, теории вероятностей и математической статистики, а также имитационное моделирование на ЭВМ. Исследования проводились с применением программных средств пакета МаЙаЬ.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны теоретические основы кругового корреляционного метода измерения параметров импульсных характеристик трактов возникновения эхо-сигналов на фоне шума. Синтезирована тестовая последовательность, позволяющая устранить методическую погрешность при его реализации. Получены количественные соотношения, связывающие погрешности, возникающие в процессе измерений, с объемом выборки и достоверностью получаемых результатов.

2. Предложен новый метод выделения гармоники дальнего эха из отклика тракта формирования эхо-сигналов на синусоидальный тест, позволяющий решить эту задачу при любом взаимном расположении сигналов ближнего и дальнего эха во времени в широком диапазоне изменения сдвига частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха.

3. Разработаны теоретические основы построения и предложены структуры измерителей ухода частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха, основанные на использовании цифровых систем фазовой синхронизации.

4. На основе анализа погрешностей получены количественные соотношения, позволяющие оценить характеристики измерителей частотного сдвига, наблюдаемого на фоне аддитивного белого гаус-совского шума при минимальном времени измерения.

Практическая ценность. Теоретическое обоснование и разработка методов измерения параметров эхо-сигналов позволили осуществить эксперимент по измерению характеристик реальных эхо-сигналов в отечественных каналах и получить информацию, необ-

ходимую для эффективного проектирования двухпроводных дуплексных модемов, устойчиво работающих на российских каналах. Теоретические результаты и технические решения, полученные в ходе этого измерительного эксперимента, обеспечили возможность разработки устройств быстрой инициализации эхокомпенсаторов, существенно повышающих эффективность эксплуатации дуплексных модемов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Анализ проблемы измерения эхо-сигналов и конкретизация задач экспериментальной оценки параметров, определяющих условия дуплексной передачи данных по коммутируемым двухпроводным каналам отечественной ТФОП.

2. Корреляционный метод измерения параметров импульсных характеристик трактов возникновения эхо-сигналов.

3. Метод измерения сдвига частоты несущей в сигнале дальнего эха с применением цифровых систем фазовой синхронизации.

4. Метод быстрой инициализации эхокомпенсатора.

5. Результаты измерений параметров эхо-сигналов в коммутируемых отечественных каналах.

Реализация и внедрение результатов. Основные результаты диссертации использованы в разработках Пензенского научно-исследовательского электротехнического института и внедрены в серийно выпускаемой аппаратуре. В частности, результаты измерений параметров эхо-сигналов, алгоритмов быстрой инициализации эхокомпенсаторов внедрены в изделиях "УПС-9,6 КЛ", "УПС-ТФ", "М480", "Е20", которыми в настоящее время оснащаются системы правительственной связи.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на третьей и четвертой международных научно-технических конференциях: "Цифровая обработка сигналов и ее применения" (г Москва, ноябрь 2000; февраль - март 2002); на Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и управления в технических системах" (г. Пенза, 2004); на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах: "Защита информации в системах связи" (г. Пенза, 2000). "Безопасность информационных технологий" (г. Пенза, 2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (100 наименований) и приложений. Объем работы: 155 страниц основного машинописного текста, включающего 24 рисунка, 3 приложения на 25 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность проблемы, обоснованы и сформулированы цели, задачи исследования, его научная новизна и практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту, а также приведены сведения о реализации и внедрении результатов, апробации работы и публикациях.

В первой главе проведен анализ проблемы измерения параметров эхо-сигналов и сделан обзор методов решения возникающих при этом задач.

Эффективная разработка устройств преобразования сигналов, предназначенных для работы по отечественным каналам так же, как и адаптация импортных модемов к российским условиям, невозможны без наличия объективной информации о параметрах каналов. В частности, при организации дуплексной передачи данных по коммутируемым двухпроводным каналам особую важность приобретает проблема компенсации эхо-сигналов. Вместе с тем данные о характеристиках эхо-сигналов, возникающих в российских каналах, в литературе и нормативной документации отсутствуют. В публикациях зарубежных авторов приводятся параметры эхо-сигналов, имеющих место в международных спутниковых и кабельных каналах. Однако качество отечественной телефонной сети общего пользования (особенно на внутризоновой сети) зачастую не соответствует международным стандартам. Отмеченные обстоятельства обусловливают актуальность экспериментальной оценки статистических параметров эхо-сигналов в региональных российских каналах.

Упрощенная структурная схема коммутируемого абонентского телефонного канала, используемого для передачи данных, изображена на рис. 1.

Центральная часть схемы представляет четырехпроводный участок, соответствующий междугородним магистральным или внут-ризональным каналам с разделенными направлениями передачи и приема. С каждой стороны посредством дифференциальных систем ДС2 и ДСЗ эта часть сопрягается с двухпроводными участками тракта, представляющими собой коммутируемые городские

Ал Лм

скгюхгшаав /дм /к сигам тааа

Рис. 1

абонентские линии. Сопряжение последних непосредственно с передатчиком и приемником сигнала данных осуществляется с помощью дифференциальных систем ДС1 и ДС4. В силу априорной неопределенности затухания двухпроводных участков 3-4 и 9-10 случайным образом коммутируемых городских абонентских линий точная балансировка дифференциальных систем оказывается принципиально невозможной, вследствие чего развязка направлений передачи и приема при сопряжении четырех- и двухпроводного участков канала является неполной. В результате в точке 2 рассматриваемой схемы помимо полезного сигнала, переданного из точки 11, появляются эхо-сигналы, обусловленные прохождением информации из собственного тракта передачи в тракт приема Различают сигналы ближнего и дальнего эха (соответственно БЭ и ДЭ). Помимо первого ДЭ, существует второе ДЭ, очевидны также возможности возникновения третьего и т. д. ДЭ, однако эти сигналы обычно настолько малы, что ими можно пренебречь.

Присутствие в тракте формирования ДЭ каналообразующей аппаратуры, осуществляющей преобразование спектров сигналов, обусловливает возможность изменения частоты несущего колебания в сигнале ДЭ по отношению к ее номинальному значению в передаваемом сигнале данных.

При формировании линейного сигнала на передаче посредством модулятора М и несущего колебания с частотой /м спектр исходного сигнала переносится в область верхних частот. В месте приема четырехпроводного тракта с помощью демодулятора ДМ' и колебания с частотой /дм осуществляется обратное преобразование

спектра. Поскольку модулятор М и демодулятор ДМ' входят в состав комплектов аппаратуры, территориально разделенных большими расстояниями, генераторы, вырабатывающие сигналы с частотами /м и /дм , обычно не синхронизированы, вследствие чего

/м*/дм- 0)

В результате спектр демодулированного сигнала оказывается смещенным на величину А/ =/м - /дм по отношению к исходному. Этот эффект называется частотной расстройкой, или сдвигом (уходом) частоты несущего колебания, и имеет место при передаче данных в одном направлении. В рассматриваемой ситуации демоду-лированный сигнал через дифференциальную систему ДСЗ, не полностью сбалансированную, проникает в четырехпроводный участок тракта передачи правого модема. Здесь вновь осуществляется его модуляция (модулятором М') и демодуляция (демодулятором ДМ) с частотами /м и /дм-

Суммарную частотную расстройку несущего колебания сигнала первого ДЭ /гдэ можно определить как

Лдэ =4/1 +¥г =(/м ~/дм)+ (/м ~/дм )= ^

= (/м _ /дм)+ (/м ~/дм)-Из второй части выражения (2) следует, что /гдэ = 0 при

/м = /дм и /м = /дм - (3)

Практически это означает, что, если в расположенных в одном I пункте сети магистральной или внутризоновой связи комплектах

аппаратуры уплотнения в системе модулятор-демодулятор (М/ДМ и М'/ДМ' на рис. 1) используется одна и та же несущая, частотная расстройка в сигнале ДЭ отсутствует. На первый взгляд, выполнение этого условия является вполне логичным и естественным и можно считать, что проблема ухода частоты несущей в сигнале эха не возникает. Однако исследования, проведенные на международ-

ных спутниковых и кабельных трассах большой протяженности, показали, что частотная расстройка несущего колебания в сигнале ДЭ в данном случае имеет место, хотя значения величины /гдэ,

наблюдавшиеся в этом эксперименте, были относительно малыми (/гдэ< 1 Гц). В отечественных каналах ситуация может выглядеть

несколько иначе.

Так как коммутируемый канал тональной частоты представляет собой случайную комбинацию различных участков магистральной и внутризоновой сетей, вышеизложенное означает, что при проведении измерений параметров эхо-сигналов следует ожидать возможность появления достаточно больших (соизмеримых с аналогичным эффектом при передаче данных в одном направлении) частотных расстроек несущей сигнала ДЭ. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе метода измерения.

Для разработчиков модемов практический интерес представляют следующие характеристики эхо-сигналов:

1) длительности импульсных реакций трактов возникновения БЭ и ДЭ;

2) взаимное расположение эхо-сигналов во времени (задержка сигнала БЭ относительно ДЭ, возможность перекрытия сигналов БЭ и ДЭ);

3) соотношение уровней сигналов БЭ и ДЭ и их пик-факторы;

4) значение величины ухода частоты несущего колебания /гдэ в сигнале ДЭ.

Измерению первых трех групп параметров должно предшествовать определение импульсной характеристики тракта возникновения эха. В работе проанализированы возможные подходы к решению задачи измерения импульсной характеристики и обоснована предпочтительность использования для этой цели кругового корреляционного метода. Также на основе анализа известных решений показана необходимость разработки нового метода измерения ухода частоты несущей в сигнале дальнего эха.

Во второй главе дано теоретическое обоснование цифровой реализации кругового корреляционного метода измерения импульсной характеристики тракта возникновения эха, предполагающего использование периодического тестового сигнала. Синтезирована тестовая последовательность, позволяющая устранить методическую погрешность при реализации данного метода. Получены количественные соотношения, связывающие возникающие в процессе изме-

рений погрешности с объемом выборки и достоверностью получаемых результатов.

Круговой корреляционный метод определения импульсной реакции предполагает наличие действительной периодической тестовой последовательности {хт[/]} (/ - номер отсчета) с периодом в

Nn отсчетов, круговая (периодическая) автокорреляционная функция которой

вхх М = — Е *т И *т [(' + w)mod Na ] (4)

п /=0

определяется соотношением

г т fl - при (т mod Nn) = О, Bjm]= Н (5)

[О - при других т.

Пропуская два или более периода сигнала {хД/]} через исследуемый канал с аддитивным белым гауссовским шумом с дисперсией а2, а затем вычисляя круговую функцию взаимной корреляции ВхуЬА одного из периодов отклика (соответствующего гарантированному окончанию переходных процессов в канале) с тестовым сигналом, получаем следующий результат:

Вху[т] = 11[Ип-т} + п'к[т\ , (6)

где h[Nn-т] и пк\т\ — отсчеты соответственно импульсной реакции канала и дискретного белого гауссовского шума.

Из выражения (6) видно, что погрешность измерения h[Nn - т] определяется величиной п'к\т\. В результате анализа, проведенного в работе, показано, что дисперсия шума п'к\т\ связана с дисперсией шума канала соотношением (а')2 = .

Таким образом, каждый период функции взаимной корреляции теста с откликом канала содержит отсчеты импульсной реакции канала. Очевидно, что период теста Nn должен превышать максимальную ожидаемую длительность оцениваемой импульсной реакции и может быть весьма значительным. При этом, с одной стороны, уменьшается мешающее влияние шума оценки импульсной реакции, а с другой, - резко возрастает вычислительная сложность

операции определения функции взаимной корреляции. Это обстоятельство делает целесообразным выполнение данной процедуры в частотной области с использованием для перехода от временных последовательностей к их спектрам и обратно алгоритмов БПФ. Общая последовательность вычислений в таком случае задается алгоритмом

{ВхуШ = {Р(ук[к])Г* (хг[к])}, (7)

где Т«" и F"l - операторы прямого и обратного преобразований Фурье; * - знак комплексного сопряжения.

Отметим, что все полученные результаты справедливы лишь при наличии действительной тестовой последовательности с периодической функцией автокорреляции, удовлетворяющей равенству (5). При невыполнении этого соотношения возникает методическая погрешность измерения. С целью устранения этой погрешности в работе была синтезирована действительная последовательность [/]}. Она представляет собой сигнал с равномерным (единичным) спектром амплитуд и спектром фаз вида фт [ — 2 тс к1 .

Отсчеты этой последовательности на периоде Л^ определяются соотношением

2

N"~lI .

2-я

(В)

Nn

к(к + г)

+ 2 £ cos к= 1

где обозначение ()цч соответствует целой части числа в скобках.

Пикфактор /Сп_ф сигнала {хт[г]} зависит от Nn. При Nn четном

ЛГп.ф < 1,46; при Nn нечетном Кп.ф < 1,74.

Для нахождения перечисленных выше параметров импульсной реакции тракта возникновения эхо-сигналов необходимо установить некоторый порог Un отличения сигнала от шума. В результате сопоставления с этим порогом определяются моменты начала и окончания эхо-сигналов. Очевидно, что обоснованному выбору Un должна предшествовать предварительная экспериментальная оценка

дисперсии О* шума канала. Данная операция осуществляется на основе анализа дискретной выборки отсчетов выходного напряжения канала при нулевом сигнале на его входе. Вследствие конечности объема выборки возникает погрешность измерения. В работе получены количественные соотношения, связывающие значение этой погрешности с объемом выборки Л/в и характеризующие ее штияние на достоверность всего эксперимента.

В третьей главе теоретически обоснован и разработан метод измерения сдвига частоты несущей в сигнале дальнего эха с применением цифровых систем фазовой синхронизации.

Спецификой отечественных каналов, связанной с принципом построения некоторых типов применяемой на внутризоновой сети каналообразующей аппаратуры, является возможность появления достаточно больших значений ухода частоты несущей ДЭ при одновременном перекрытии импульсных откликов сигналов БЭ и ДЭ. Известные методы измерения /гдЭ в таких условиях являются неработоспособными. В связи с этим в работе предложен новый подход к решению данной проблемы, основанный на передаче в канал синусоидального тестового сигнала, полном подавлении в отклике на этот тест гармоники БЭ, осуществляемом посредством соответствующим образом рассчитанного нерекурсивного гребенчатого фильтра А^ф -го порядка и последующим определением величины

Лдэ с использованием цифровых систем фазовой синхронизации.

При подаче на вход тракта формирования эхо-сигналов синусоидального тестового колебания д:т(?) = 8т2л/н? и наличии в

сигнале ДЭ ненулевой частотной расстройки несущего колебания Дцэ отклик тракта в дискретном времени можно описать выражением

ЛМ^БЭ8*11!271/0^ + 953) +

+ Лдэ 8Ш[2те(/"0„ + /одэ )к + Фдэ ] + "к [*] > где Л53 и тЁдэ ~ амплитуды; фБЭ и фдэ — фазы гармоник соответственно БЭ и ДЭ; /0н =/н//д ; /огДЭ =Лдэ//д ; пАк\ ' отсчеты дискретного белого гауссовского шума с дисперсией ак .

Для того, чтобы можно было осуществить оценку величины /ода с использованием цифровых систем фазовой синхронизации, необходимо каким-либо способом устранить из сигнала ут[к] составляющую ближнего эха. Поскольку предполагаемому диапазону изменения /гдЭ соответствуют чрезвычайно малые значения разницы относительных частот /огдэ гармоник БЭ и ДЭ (например, при /д = 9600 Гц и 0,1 Гц< /гдЭ <10 Гц значения

/огдэ находятся в интервале 10 < /гдЭ <10 ) и, как правило, ЛБЭ »Лдэ , решить эту проблему путем традиционной фильтрации не представляется возможным. Вместе с тем особенностью данной задачи является тот факт, что значение /он является фиксированным, заранее известным. Это обстоятельство позволило предложить новый подход к устранению мешающего влияния сигнала БЭ в рассматриваемой ситуации, основанный на использовании нерекурсивного гребенчатого фильтра Л'ф -го порядка, схема которого изображена на рис. 2.

Рис. 2

Фильтр представляет собой трансверсальную структуру, включающую Иф элементов задержки, с двумя ненулевыми коэффициентами бфо = 1 и АфдГф = -1. Его АЧХ имеет вид

ягф (е-7®0 )| = ^ [1 - cos(co0 Л^ф)]2 + sin2(co0

= 2

Nfo

sm(e>o-y-)

(Ю)

График АЧХ, построенный на основании выражения (10), представлен на рис. 3. Из графика видно, что относительным частотам for^rjNф , г = 0, 1, 2, ..., являющимся корнями тригонометрического уравнения sin (2л f^N^ jl)= 0 , соответствуют нули

функции

О 5

Рис. 3

Поскольку в эксперименте частоты тестового сигнала /н и дискретизации /д могут быть заданы от одного генератора, относительное значение /0н = /н//ц является абсолютно стабильным и заранее известным. Соответствующим выбором порядка А/ф рассматриваемого фильтра можно добиться, чтобы один из нулей его АЧХ точно совпадал со значением /он. При прохождении через такой фильтр сигнала, определяемого выражением (9), гармоника ближнего эха оказывается полностью подавленной. При этом появляется возможность измерения значения ухода частоты несущей в

оставшейся гармонике дальнего эха с помощью цифровых систем фазовой синхронизации.

С целью повышения эффективности данного подхода был осуществлен анализ возможностей использования цифровых систем фазовой синхронизации для его реализации. Данному анализу предшествовало построение обобщенной математической модели цифровой системы фазовой синхронизации с аналого-цифровым преобразованием до контура регулирования и исследование ее асимптотической устойчивости. Полученные в процессе этих ис- »

следований результаты позволили предложить структуры измерителей сдвига частоты гармонического сигнала на фоне аддитивного белого гауссовского шума на основе цифровых систем фазовой синхронизации первого и второго порядков. Далее в работе был осуществлен анализ погрешностей предложенных измерителей, в ходе которого показано, что в широком диапазоне значений точности оценивания и номинала исследуемого сдвига более предпочтительным с точки зрения сокращения времени наблюдения является использование цифровых систем фазовой синхронизации первого порядка.

В четвертой главе приведены описание и результаты эксперимента по измерению параметров эхо-сигналов, возникающих в отечественных каналах при двухпроводной дуплексной передаче данных, а также рассмотрен новый подход к быстрой инициализации эхокомпенсатора дуплексных модемов.

Полученные теоретические результаты позволили реализовать эксперимент по измерению перечисленных ранее параметров эхо-сигналов в реальных каналах связи. Для его проведения был разработан программно-аппаратный комплекс, осуществляющий получение первичной измерительной информации и последующую ее обработку. Используемые методы измерений (в частности корреляционный метод) предполагают большой объем вычислений в процессе обработки отклика на тест, которые не обязательно выполнять в реальном масштабе времени. В связи с этим оказалось целесообразным разделить задачи непосредственного получения первичной измерительной информации и последующей ее обработ- < ки. Первая из них решалась на базе процессорного модуля 08Р50М1М1, использующего 64 К внешней памяти программ и 64 К внешней памяти данных, вторая — с помощью программы , для персонального компьютера, написанной на языке макропрограммирования системы МаНаЬ.

Измеритель первичной информации о параметрах эхо-сигнала, реализованный на основе DSP50MINI, имеет пять режимов работы и позволяет решать следующие задачи:

1) измерение величины ухода частоты несущего колебания в сигнале ДЭ;

2) передача в канал двух периодов синтезированной тестовой последовательности; прием и запоминание отклика канала.

В первом режиме, устанавливаемом при запуске устройства после инициализации процессора, производится передача в канал нулевого уровня и измерение дисперсии (мощности) ст2 шума на выходе системы из последовательно включенных узкополосного полосового и режекторного фильтров. Оба этих фильтра входят в состав устройства оценки частотной расстройки несущей сигнала ДЭ. Узкополосный полосовой фильтр реализован в виде трансверсальной структуры со строго линейной ФЧХ и полосой пропускания 1785...1815 Гц. Он предназначен для уменьшения влияния шума канала на процесс измерения частотной расстройки. В качестве режекторного использован гребенчатый фильтр, который, как показано в главе 3, при определенном выборе его порядка N^ позволяет полностью подавить гармонику БЭ, обеспечивая тем самым возможность измерения значения /гдэ с помощью цифровой системы фазовой синхронизации. В эксперименте было выбрано значение порядка фильтра =800. В связи с неравномерностью АЧХ гребенчатого фильтра и априорной неопределенностью коэффициента передачи тракта ДЭ на частоте /н + /гдэ измерению /гдэ

должна предшествовать нормализация уровня гармоники ДЭ, выполняемая с помощью алгоритма АРУ. Для его работы необходимо выполняемое в данном режиме с использованием полученных в

главе 2 теоретических результатов измерение величины а .

Во втором и третьем режимах на вход канала подается синусоидальный тестовый сигнал с частотой /„=1800 Гц, используемый для оценки величины ухода несущей в тракте ДЭ. При этом во втором режиме осуществляется измерение средней мощности /£+,„ смеси "сигнал+шум" на выходе гребенчатого фильтра. Вследствие некоррелированности теста и шума

^с+ш — -Рс + 0 »

где Рс — мощность сигнала. Вычитая из величины Рс+Ш мощность 2

шума сг , определенную в первом режиме, и извлекая из разности квадратный корень, получаем оценку ЛдЭД/~2 среднеквадратиче-

ского значения сигнала ДЭ. Далее вычисляется коэффициент передачи системы АРУ £дру, рассчитываемый как отношение номинального значения уровня к величине ЛдЭ Д/Т.

В третьем режиме производится измерение частотной расстройки несущей ДЭ /гдэ > выполняемое с использованием цифровой

системы фазовой синхронизации первого порядка. При этом функции системы АРУ сводятся к умножению поступающих с выхода гребенчатого фильтра отсчетов на вычисленный ранее коэффициент .Кару » чем обеспечивается номинальный уровень входного сигнала цифровой системы фазовой синхронизации. При отсутствии ухода несущей в тракте ДЭ (/гдэ = 0) частота гармоники дальнего эха совпадает с /н, вследствие чего сигнал ДЭ (так же, как и БЭ) полностью подавляется режекторным фильтром. Поэтому в ситуации, когда Рс+Ш менее чем в два раза превышает а , принимается /гдэ=0 и третий режим пропускается.

В четвертом режиме в канал выдаются 2 периода тестовой последовательности с N - 4096 и фиксируется (записывается в память) второй период отклика исследуемого тракта. Необходимость пропуска отсчетов отклика на первый период обусловлена наличием переходного процесса во всех входных устройствах.

Если измеренная в третьем режиме частотная расстройка Лдэ

оказывается меньше 1 Гц (в том числе и при зафиксированном

/гдэ=0), предусматривается пятый режим работы устройства, в

котором передается 100 периодов короткой тестовой последовательности с N = 1024, а отсчеты отклика канала фиксируются в памяти. Эти данные после соответствующей обработки позволяют оценить полный период изменения Тг дэ одного отсчета импульсной реакции тракта ДЭ и тем самым уточнить истинное значение частотного сдвига несущей.

При запуске измерителя обеспечивается последовательное выполнение всех описанных режимов его работы, следствием чего является фиксация в ОЗУ значений величин ст , Рс+Ш, /гдэ и отсчетов отклика на передаваемый в четвертом и пятом режимах тест.

Задачами дальнейшего преобразования полученной таким образом информации, решаемыми на персональном компьютере в программной среде МаЙаЬ, являются определение перечисленных ранее параметров импульсных реакций исследуемых трактов формирования эха, уточнение результатов измерения величины ухода частоты несущей сигнала ДЭ по данным многопериодного тестирования короткой последовательностью и статистическая обработка результатов измерений.

Измерения проводились на каналах, связывающих город Пензу с районными центрами Пензенской области, а также на трассе Пенза—Самара. В качестве двухпроводной телефонной линии на передающей стороне использовался имитатор соединительной линии, заимствованный из аппаратуры "Канал-2". Всего было сделано порядка 400 вызовов в 10 различных районов области и в город Самару. При этом районы области выбирались и коммутировались таким образом, чтобы была возможность исследовать характеристики эхо-сигналов при различном числе переприемных участков (ППУ), входящих в состав канала (от 0 до 11 ППУ).

Импульсная реакция реального тракта формирования эхо-сигналов, полученная путем обработки описанным выше способом результатов измерений на одном из направлений в пределах Пензенской области, включающем 11 ППУ, представлена на рис. 4.

На графике явно различаются: сигнал БЭ (слева), перекрывающиеся сигналы первого (ДЭ1) и второго (ДЭ2) ДЭ (соответственно в диапазонах 22...32 мс и 32...40 мс), а также заметны сигналы третьего (ДЭЗ) и четвертого (ДЭ4) ДЭ (в интервалах 40...49 мс и свыше 50 мс). Полученные данные необходимо учитывать при создании современных дуплексных модемов, предназначенных для работы по российским каналам, организуемым на основе телефонной сети общего пользования. В частности, их использование позволило разработать двухпроводный дуплексный модем [28], существенно превосходящий импортные аналоги по надежности соединений на отечественных каналах, что послужило основанием для проведения работ по его внедрению в серийное производство.

О 05 -1,—-----

о 04--------

0 03 -------

0 02 -Ц-]-----

РДЭ1

----- »

-о 02 ------

-о 03 -------

-о 04 -------

-О 05 - -----

о ю 20 зо 40 50 60

Рис. 4

Выявленный в процессе измерений эффект присутствия ухода частоты несущего колебания /гдэ в сигнале ДЭ при наличии перекрытия импульсных откликов БЭ и ДЭ существенно увеличивает время вхождения в связь дуплексных модемов с эхокомпенсаторами (до нескольких десятков секунд). Это обстоятельство снижает эффективность передачи данных.С использованием полученных теоретических результатов и предложенных технических решений был разработан метод быстрой инициализации эхокомпенсатора, который позволяет уменьшить длительность первоначальной настройки, в наиболее сложном, с точки зрения адаптации эхокомпенсатора, режиме, при наличии большого сдвига частоты несущей ДЭ. Метод дает возможность без существенных дополнительных реализационных затрат на основе использования синусоидальных тестовых сиг- < налов, передаваемых вызывающим и отвечающим модемами во время процедуры определения задержки ДЭ, быстро определить сдвиг частоты несущей ДЭ. ,

В приложениях приведены подробные результаты измерений параметров эхо-сигналов, а также документы, подтверждающие факты внедрения результатов работы.

БЭ ДЭ1

к Ллл ДЭ2 ~ л Л л ДЭЗ ДЭ4

чр\л Л/ V V/

I

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа проблем, возникающих при разработке современных модемов, обоснована актуальность проведения исследований в области измерения параметров эхо-сигналов.

2. Разработаны теоретические основы экспериментальной оценки параметров эхо-сигналов, определяющих условия дуплексной передачи данных по коммутируемым телефонным каналам. Произведено теоретическое обоснование метода оценки параметров импульсных реакций трактов возникновения эха, осуществлен анализ погрешности, обусловленной влиянием шума канала. Синтезирована действительная тестовая последовательность с низким пикфак-тором и 5-образной периодической корреляционной функцией, что позволяет устранить методическую погрешность измерения при реализации данного метода.

3. Предложен метод оценки значения ухода частоты несущего колебания /гдэ в сигнале дальнего эха с использованием цифровых систем фазовой синхронизации, позволяющий решить данную задачу при больших значениях /гдэ и перекрытии импульсных

реакций трактов возникновения ближнего и дальнего эха. Разработаны структуры измерителей частотного сдвига, построенных на основе цифровых систем фазовой синхронизации первого и второго порядков. В результате анализа их погрешностей получены количественные соотношения, позволяющие оценить характеристики измерителей, и показано, что с точки зрения сокращения времени наблюдения при заданной точности оценивания определенными преимуществами обладают системы первого порядка.

4. Формализовано описание различных вариантов реализации элементов цифровых систем фазовой синхронизации с аналого-цифровым преобразованием до контура регулирования и разработана ее обобщенная математическая модель, конкретизированная затем применительно к системам первого и второго порядков. Получены условия асимптотической устойчивости систем первого и второго порядка и исследовано их поведение при отсутствии шума.

5. Разработан программно-аппаратный комплекс, на основе которого практически осуществлено измерение параметров эхо-сигналов, определяющих условия дуплексной передачи данных по коммутируемым отечественным телефонным каналам.

6. Разработан метод быстрой инициализации эхокомпенсатора, обеспечивающий повышение эффективности передачи данных по

отечественным каналам. Данный метод не требует существенных реализационных затрат и позволяет приблизительно на порядок сократить время вхождения в связь дуплексных модемов в наиболее неблагоприятных условиях, встречающихся в отечественных каналах.

7. Результаты, полученные при выполнении работы, апробированы и использованы при разработке и практической реализации внедренных в серийное производство двухпроводных дуплексных модемов, обеспечивающих значительно более высокую надежность соединений на отечественных каналах по сравнению с зарубежными аналогами и используемых в системах правительственной связи и Российской армии.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Захаренков В. Е. Измерения параметров эхо-сигналов в коммутируемых каналах передачи данных / Б. В. Султанов, С. Л. Шутов,

B. Е. Захаренков // Электросвязь. — 2002. — № 10. — С. 34—37.

2. Захаренков В. Е. Корреляционный метод определения импульсной реакции / В. Е. Захаренков, Б. В. Султанов, М. А. Щербаков Ц Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Докл. Междунар. науч.-техн. конф. — Пенза: ИИЦ ПГУ, 2004. —

C. 302.

3. Захаренков В. Е. Аппаратно-программный измеритель параметров эхо-сигналов / В. Е. Захаренков // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2004. - С. 307.

4. Захаренков В. Е. Измеритель первичной информации о параметрах эхо-сигналов / В. Е. Захаренков, Б. В. Султанов // Защита информации в сетях и системах связи: Тез. докл. конф. — Пенза: ПНИЭИ, 25 - 28 апреля 2000 г. - С. 60.

5. Захаренков В. Е. Проблема измерения параметров эхо-сигналов, возникающих при дуплексной передаче данных по двухпроводным абонентским линиям / В. Е. Захаренков, С. Л. Шутов, Б. В. Султанов 11 Защита информации в сетях и системах связи: Тез. докл. конф. - Пенза: ПНИЭИ, 25 - 28 апреля 2000 г. - С. 59.

6. Захаренков В. Е. Алгоритм обработки первичной информации о параметрах эхо-сигналов / В. Е. Захаренков, Б. В. Султанов 11 Защита информации в сетях и системах связи: Тез. докл. конф. — Пенза: ПНИЭИ, 25 - 28 апреля 2000 г. - С. 62.

7. Математические модели цифровых систем фазовой синхронизации с равномерной дискретизацией / В. Е. Захаренков, Б. В. Султа-

нов, М. А. Щербаков, В. В. Дорошкевич // Цифровая обработка сигналов и ее применения: Докл. 4-й Междунар. конф. - М., 27 февраля - 1 марта 2002 г. - Т. 1. - С. 106-109.

8. Захаренков В. Е. Математические модели цифровых систем фазовой синхронизации / В. Е. Захаренков, Б. В. Султанов, В. В. Дорошкевич Ц Специальная техника средств связи. Сер.: Системы, сети и технические средства конфиденциальной связи. Вып. 1. — Пенза: ПНИЭИ, 2000. - С. 99-101.

9. Анализ флукгуационной ошибки и динамики цифровых систем фазовой синхронизации / В. Е. Захаренков, В. К. Бочков, В. В. Дорошкевич, В. А. Оськин, Б. В. Султанов, В. А. Фунтиков // Цифровая обработка сигналов и ее применения: Докл. 3-й Междунар. конф. — М., 29 ноября — 1 декабря 2000 г. — Т. 1. — С. 57—62.

10. Анализ устойчивости цифровой системы фазовой синхронизации / В. Е. Захаренков, В. К. Бочков, В. В. Дорошкевич, В. А. Оськин, Б. В. Султанов, В. А. Фунтиков // Специальная техника средств связи. Сер.: Системы, сети и технические средства конфиденциальной связи. Вып. 1. - Пенза: ПНИЭИ, 2000. - С. 96-98.

11. Захаренков В. Е. Оценка объема выборки, обеспечивающего заданные доверительные интервал и вероятность при измерении среднеквадратического шума канала / Б. В. Султанов, В. Е. Захаренков // Защита информации в сетях и системах связи: Тез. докл. конф. - Пенза: ПНИЭИ, 25 - 28 апреля 2000 г. - С. 61.

12. Захаренков В. Е. Результаты измерения параметров эхо-сигналов в реальных каналах связи / В. Е. Захаренков, Б. В. Султанов, С. Л. Шутов Ц Защита информации в сетях и системах связи: Тез. докл. конф. - Пенза: ПНИЭИ, 25 - 28 апреля 2000 г. - С. 63.

13. Захаренков В. Е. Корреляционный корректор частотных характеристик телефонных каналов / С. Л. Шутов, Б. В. Султанов, В. Е. Захаренков // Защита информации в сетях и системах связи: Тез. докл. конф. - Пенза: ПНИЭИ, 25 - 28 апреля 2000 г. - С. 64.

14. Захаренков В. Е. Передискретизация сигнала высокоскоростных устройств преобразования сигналов / В. Е. Захаренков, П. В. Смирнов, С. Л. Шутов // Безопасность и конфиденциальность информации в сетях и системах связи: Тез. докл. конф. — Пенза: ПНИЭИ, 6-9 октября 1998 г.

Захаренков Виктор Евгеньевич

Методы измерения параметров эхо-сигналов в коммутируемых каналах передачи данных

Специальности: 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций;

05.11.01 — Приборы и методы измерения (электрические величины)

Редактор Т. В. Веденеева Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор Ж. А. Лубенцова Компьютерная верстка С. П. Черновой

ИД № 06494 от 26.12.01 Сдано в производство 18.05.05. Формат 60х84'/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,39. Заказ № 337. Тирах 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

I

*

г

i

1 <

«¿12958

РНБ Русский фонд

2006-4 13947

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы измерения параметров эхо-сигналов и обзор методов решения возникающих при этом задач.

1.1. Вводные замечания.

1.2. Проблема измерения параметров эхо-сигналов, возникающих при дуплексной передаче данных по двухпроводным абонентским линиям.

1.3. Методы измерения импульсной реакции и частотных характеристик каналов связи.

1.4. Методы оценки ухода частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Теоретическое обоснование метода измерения параметров импульсных реакций трактов возникновения эхо-сигналов.

2.1. Вводные замечания.

2.2. Круговой корреляционный метод измерения импульсной реакции.

2.3. Синтез действительной периодической тестовой последовательности с идеальной автокорреляционной функцией.

2.4. Оценка объёма выборки, обеспечивающего необходимые доверительные интервал и вероятность, при измерении среднеквадратического значения шума канала.

Выводы по главе 2.

Глава 3 . Разработка и теоретическое обоснование метода измерения сдвига частоты несущей в сигнале дальнего эха с применением цифровых систем фазовой синхронизации.

3.1. Вводные замечания.

4 3.2. Выделение гармоники дальнего эха из отклика тракта формирования эхо-сигналов на гармонический тестовый сигнал.

3.3. Применение ЦСФС для измерения сдвига частоты гармонического сигнала на фоне шума.

3.3.1. Математические модели ЦСФС с аналого-цифровым преобразованием до петли ФАПЧ.

3.3.1.1. Общие положения.

3.3.1.2. Анализ возможных вариантов реализации элементов

ЦСФС и построение ее обобщенной модели.

3.3.1.3. Математические модели ЦСФС первого и второго порядков.

3.3.1.4. Анализ асимптотической устойчивости ЦСФС первого и второго порядков.

3.3.1.5. Измерение сдвига частоты гармонического сигнала на фоне шума. Ю

Выводы по главе 3.

Глава 4. Практическая реализация методов измерения эхо-сигналов.

4.1. Вводные замечания.

4.2. Измеритель первичной информации о параметрах эхо-сигналов.

4.3. Обработка первичной информации.

4.4. Результаты эксперимента.

4.5. Метод быстрой инициализации эхокомпенсатора дуплексных модемов.

Выводы по главе 4.

Интенсивное развитие персональных компьютеров и компьютерных технологий потребовало создания разветвленных вычислительных сетей, основой которых являются сети передачи данных. Каналы сетей передачи данных организуются на базе типовых существующих каналов электросвязи, построенных, как правило, на основе телефонной сети общего пользования (ТФОП). Параметры каналов оказывают определяющее влияние на возможности передачи данных. Вместе с тем качество отечественной коммутируемой телефонной сети во многих случаях не соответствует международным стандартам, что порождает ряд специфических трудностей, возникающих при передаче данных по российским телефонным линиям. К их числу, в частности, относятся невозможность установления связи на отдельных соединениях, неправильное распознавание модемами сигналов автоматических телефонных станций, "зависание" модема, низкая реальная скорость передачи данных. В немалой степени проблема качества коммутируемой ТФОП обусловлена тем фактором, что до сравнительно недавнего времени не существовало общих норм на электрические параметры каналов сети ТФОП. Последнее объяснялось как объективными трудностями выработки подхода к нормированию параметров сети, так и отсутствием технических средств, предназначенных для комплексного проведения соответствующих измерений.

Вопросы измерения параметров каналов связи рассматривались в работах таких отечественных и зарубежных ученых и возглавляемых ими коллективов, как Хромой Б.П., Кушнир Ф.В., Савенко В.Г., Верник С.М., Елизаров A.C., Найквист X., Витке П., Пенстон С., Кейтли Р., и др. Особо следует отметить выполненную по заказу Министерства РФ совместную работу Центрального научно-исследовательского института связи (ЦНИ-ИС) и фирмы "Аналитик-ТС", по результатам которой в 1997г. был издан приказ Госкомсвязи РФ №74 об утверждении "Временных эксплуатационных норм на электрические параметры каналов сети ТФОП" (в 1999г. на его основе появился приказ №54 Госкомсвязи России об утверждении "эксплуатационных норм на электрические параметры коммутируемых каналов сети ТФОП") и разработан программно-измерительный комплекс АпСош ТЕ)А-5, позволяющий контролировать нормируемые параметры.

Однако, несмотря на отмеченные достижения, ряд проблем, возникающих в рассматриваемой области, по-прежнему нельзя считать полностью решенными. К их числу, в частности, относится задача измерения параметров эхо-сигналов, возникающих при дуплексной передаче данных по российским каналам сети ТФОП. В большинстве работ отечественных авторов, посвященных построению модемов, рассматривалась ситуация передачи данных по четырехпроводным линиям с разделенными направлениями передачи и приема [1-12]. Вместе с тем в эпоху персональных компьютеров актуальной является организация высокоскоростной передачи данных от абонента к абоненту, что предполагает создание дуплексных модемов, обеспечивающих одновременную двустороннюю работу по коммутируемым двухпроводным абонентским линиям. В таких устройствах необходимо решать проблему подавления сигналов эха, возникающих вследствие принципиальной невозможности полного разделения направлений передачи и приема при сопряжении четырех и двухпроводных участков случайным образом коммутируемого канала. Единственным известным способом решения этой проблемы при создании средне- и высокоскоростных модемов в настоящее время является компенсация сигналов эха с помощью адаптивных устройств, называемых эхокомпенсаторами.

Общие принципы построения эхокомпенсаторов известны и реализованы в импортных модемах [13-19]. Естественно, что разработка эхокомпенсаторов и включение их в состав устройств преобразования сигналов является необходимым условием обеспечения технических возможностей создания конкурентоспособных отечественных модемов. Однако решение этой задачи, ровно, как и решение проблемы адаптации импортных модемов к российским условиям, существенно осложняется полным отсутствием информации о параметрах эхо-сигналов, возникающих в отечественных коммутируемых телефонных каналах. Данная ситуация обусловлена тем, что до сравнительно недавнего времени потребность в такой информации отсутствовала, поскольку в нашей стране вообще не ставилась задача построения двухпроводных дуплексных модемов. Поэтому эти параметры каналов не исследовались и никак не нормировались. Очевидно, что в настоящее время проблема измерения параметров эхо-сигналов в российских каналах весьма актуальна.

Ввиду особенностей структуры сигналов эха осуществление такого эксперимента представляет сложную научно-техническую задачу, требующую проведения теоретических исследований и разработки новых подходов к измерению отдельных параметров. При этом представляет практический интерес приложение полученных результатов к задачам оценки параметров канала в процессе быстрой инициализации эхокомпенсаторов модемов. Все вышеизложенное позволяет следующим образом сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы.

Исследование и разработка новых способов цифрового измерения параметров эхо-сигналов в коммутируемых каналах передачи данных.

Задачи исследования.

1. Анализ проблемы измерения параметров эхо-сигналов, возникающих при дуплексной передаче данных по двухпроводным коммутируемым каналам, и обзор методов решения возникающих при этом задач.

2. Теоретическое обоснование кругового корреляционного метода измерения импульсной характеристики тракта возникновения эхо-сигналов и анализ погрешностей, возникающих при его практической реа лизации. Синтез тестовой последовательности, позволяющей устранить методическую погрешность измерения.

3. Разработка структур и анализ погрешностей измерителей ухода частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха с использованием цифровых систем фазовой синхронизации.

4. Разработка нового метода быстрой инициализации адаптивных эхокомпенсаторов.

5. Измерение эхо-сигналов в отечественных каналах.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методы цифровой обработки сигналов, автоматического регулирования, теории вероятностей и математической статистики, а также имитационное моделирование на ЭВМ. Исследования проводились с применением программных средств пакета Ма^аЬ.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны теоретические основы кругового корреляционного метода измерения параметров импульсных характеристик трактов возникновения эхо-сигналов на фоне шума. Синтезирована тестовая последовательность, позволяющая устранить методическую погрешность при его реализации. Получены количественные соотношения, связывающие возникающие в процессе измерений погрешности с объемом выборки и достоверностью получаемых результатов.

2. Предложен новый метод выделения гармоники дальнего эха из отклика тракта формирования эхо-сигналов на синусоидальный тест, позволяющий решить эту задачу при любом взаимном расположении сигналов ближнего и дальнего эха во времени в широком диапазоне изменения сдвига частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха.

3. Разработаны теоретические основы построения и предложены структуры измерителей ухода частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха, основанные на использовании цифровых систем фазовой синхронизации.

4. На основе анализа погрешностей получены количественные соотношения, позволяющие оценить характеристики измерителей частотного сдвига, наблюдаемого на фоне аддитивного белого гауссовского шума при минимальном времени измерения.

Практическая ценность.

Теоретическое обоснование и разработка методов измерения параметров эхо-сигналов позволили осуществить эксперимент по измерению характеристик реальных эхо-сигналов в отечественных каналах. Информация, полученная в ходе этих измерений, опубликована в журнале "Электросвязь" и необходима для эффективного проектирования двухпроводных дуплексных модемов, устойчиво работающих по российским каналам. Теоретические результаты и технические решения, полученные в ходе этого измерительного эксперимента, обеспечили возможность разработки устройств быстрой инициализации эхокомпенсаторов, существенно повышающих эффективность эксплуатации дуплексных модемов.

Реализация и внедрение результатов.

Основные результаты диссертации использованы в разработках Пензенского научно-исследовательского электротехнического института и внедрены в серийно выпускаемой аппаратуре. В частности, результаты измерений параметров эхо-сигналов, алгоритмов быстрой инициализации эхокомпенсаторов внедрены в изделиях "УПС-9,6 ЮГ', "УПС-ТФ", "М480", "Е20", которыми в настоящее время оснащаются системы правительственной связи.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ проблемы измерения эхо-сигналов и конкретизация задач экспериментальной оценки параметров, определяющих условия дуплексной передачи данных по коммутируемым двухпроводным каналам отечественной ТФОП.

2. Корреляционный метод измерения параметров импульсных характеристик трактов возникновения эхо-сигналов.

3. Метод измерения сдвига частоты несущей в сигнале дальнего эха с применением цифровых систем фазовой синхронизации.

4. Метод быстрой инициализации эхокомпенсатора.

5. Результаты измерений параметров эхо-сигналов в коммутируемых отечественных каналах.

Апробация работы.

Основные положения диссертации обсуждались на третьей и четвёртой международных научно-технических конференциях: "Цифровая обработка сигналов и ее применения" (г. Москва, ноябрь, 2000; февраль - март 2002); на международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и управления в технических системах" (г. Пенза, 2004); на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах: "Защита информации в системах связи" (г. Пенза, 2000г.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных трудах, включая 1 статью, 13 материалов и тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 100 наименований, и 3 приложений. Объем работы: 155 страниц основного машинописного текста, включающего 24 рисунка, (4 таблицы вынесены в приложения), 3 приложения на 28 страницах.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в настоящей работе заключаются в следующем.

1. На основе анализа проблем, возникающих при передаче данных по коммутируемым двухпроводным каналам отечественной телефонной сети общего пользования обоснована актуальность и конкретизированы задачи измерения параметров эхо-сигналов.

2. Осуществлен обзор существующих методов измерения импульсных и частотных характеристик трактов передачи каналов связи и ухода частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха, на основе которого обоснована необходимость разработки новых подходов к решению возникающих при этом задач.

3. Разработаны теоретические основы метода измерения параметров импульсных реакций трактов возникновения эхо-сигналов. Получены количественные соотношения, связывающие реализуемый в процессе эксперимента объём выборки с точностью и достоверностью получаемых результатов.

4. Синтезирован действительный периодический испытательный сигнал с автокорреляционной функцией вида

О при других т

- период) и низким пик-фактором, позволяющий устранить методическую погрешность измерения.

5. Предложен метод измерения ухода частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха, основанный на использовании гармонического тестового сигнала, подавлении в отклике на тест гармоники ближнего эха и последующем измерении частотного рассогласования несущей с использованием цифровой системы фазовой синхронизации.

6. Предложен метод выделения гармоники дальнего эха из отклика тракта формирования эхо-сигналов на синусоидальный тест, позволяющий решить эту задачу при любом взаимном расположении сигналов ближнего и дальнего эха во времени (в том числе и при их перекрытии) в широком диапазоне изменения сдвига частоты несущего колебания в сигнале дальнего эха и основанный на применении гребенчатого фильтра.

7. Проанализирован принцип действия полностью цифровых систем фазовой синхронизации с аналого-цифровым преобразованием до контура регулирования. Получены математические модели систем первого и второго порядков, выявлены условия их асимптотической устойчивости, предложены структуры измерителей сдвига частоты гармонического сигнала на фоне аддитивного белого гауссовского шума, построенные на основе этих систем. Получены количественные соотношения, позволяющие оценить погрешности измерителей частотного сдвига, при использовании для их реализации ЦСФС первого и второго порядков. Показано, что в широком диапазоне значений точности оценивания и номинала исследуемого сдвига более предпочтительным с точки зрения сокращения времени наблюдения является использование ЦСФС первого порядка.

8. Разработана программно-аппаратная реализация измерителя параметров эхо-сигналов. Осуществлён эксперимент по их измерению в реальных отечественных каналах на внутризоновой сети в Пензенской области и на трассе Пенза - Самара. Получены результаты, представляющие практический интерес для разработчиков модемов.

9. На основе теоретических результатов и технических решений, полученных в ходе подготовки измерительного эксперимента, разработаны метод быстрой инициализации эхокомпенсатора обеспечивающий повышение эффективности передачи данных по отечественным каналам.

10. Результаты измерений параметров эхо-сигналов, имеющих место в отечественных каналах, а также предложенный метод быстрой инициализации эхокомпенсатора использованы при разработке и практической реализации внедренных в серийное производство двухпроводных дуплексных модемов, обеспечивающих значительно более высокую надежность соединений на отечественных каналах по сравнению с зарубежными аналогами. В настоящее время этими модемами оснащаются системы правительственной связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Пасковатый А. О. О качестве телефонной сети общего пользования // Сети и системы связи 1998. - № 4. - С. 108-114.

2. Васильев Л. И., Горшков Л. Ф., Свириденко В. А. Методы и средства организации каналов передачи данных. М.: Радио и связь, 1982 - 152 с.

3. Курицын С. А. Методы адаптивной обработки сигналов передачи данных. -М.: Связь, 1988. 144 с.

4. Тамм Ю. А. Адаптивная коррекция сигнала передачи данных. -М.: Радио и связь, 1978. 144 с.

5. Данилов Б. С., Штейнбок М. Г. Однополосная передача цифровых сигналов М.: Связь, 1974. - 136 с.

6. Данилов Б. С., Стукалов С. В., Тамм Ю. А., Штейнбок М. Г. Устройства преобразования сигналов передачи данных. — М.: Связь, 1974. -128 с.

7. Данилов Б. С, Стукалов С. В., Тамм Ю. А. Адаптивный модем на скорость 4800 бит.с. Часть I. Принципы построения модема // Электросвязь. 1976. - № 2. - С. 52 - 58.

8. Тамм Ю.А., Данилов Б.С., Орлов В.В., Стукалов C.B., Штейнбок М.Г. Адаптивный модем на скорость 4800 бит.с. Часть II. Некоторые результаты испытаний адаптивного модема // Электросвязь. 1976. - №2. -С. 58-61.

9. Буянов В. Ф. и др. Цифровые модемы для каналов ТЧ // Электросвязь. 1978. - № 12. - С. 44 - 49.

10. Астапкович К Ф., Буянов В. Ф., Егоров В. А., Жареное В. А., Заjcаров И. И., Лопатин С. К, Нечаев В. Н„ Перфильев Э. П., Подгайский А. Г. Цифровой модем 9600 для каналов ТЧ // Электросвязь. - 1984. - № 3. -С. 15-18.

11. Астапкович К. Ф., Буянов В. Ф., Егоров В. А., Жареное В. А., Захаров И. И., Курицын С. А., Лопатин С. И., Перфильев Э. П., Пономарев В. И. Результаты экспериментальных исследований цифрового УПС 9600 // Электросвязь. - 1986. - № 7. - С. 29 - 32.

12. Пантелеев В. В., Шевченко Ю. В., Зарянов С. А. Помехоустойчивость УПС-4800 при фазовом дрожании и случайных скачках фазы в канале ТЧ // Электросвязь. 1986. - № 11. - С. 19 - 22.

13. Афанасьев Л. Н., Климин В. П., Котлов В. Ф., Ольшевский Н. И., Селезнев Г. Б., Шутов С. Л., Дорошкевич Л.Н., Султанов Б. В. Устройство преобразования сигнала на скорость 14,4 кбит/с // Электросвязь. 1988. -№ 6. - С. 54-56.

14. Адаптивные фильтры. / Под ред. К. Ф. Н. Коуэна и П. М. Гранта -М.: Мир, 1988-392 с.

15. Koll V. G., Weinstein S. В. Simultaneous two-way data transmission over a two-wire circuit I I IEEE Trans. Commun., vol. COM-21, No.2 (February 1973), pp. 143 147.

16. Weinstein S. B. A Passband Data-driven echo-canceller for full-duplex data transmission on two-wire circuits // IEEE Trans. Commun., vol. COM-25, No.7 (July 1977), pp. 654 666.

17. Harman D. D.,Wang G. D., Werner J. J. Frequency offset compensation techniques for echo-cancellation-based modems // in GLOBECOM'87 Conf. Rec., vol. 3, pp. 1945 1949, November 15- 18, 1987.

18. Wang J. D., Werner J. J. Performance analysis of an echo-cancellation arrangement that compensates for frequency offset in the far echo // IEEE Trans, on Commun., vol. 36, No 3 (March, 1988), pp. 364 372.

19. Федоров Ю. H. Сравнение алгоритмов синтеза эхо-сигнала по времени адаптации // В кн.: Аппаратура и методы обработки сигналов -Красноярск, 1989. С. 97 - 103.

20. Quatieri Т. F., О Leary G. С. Far-echo cancellation in the presence of frequency offset // IEEE Trans, on Commun., vol. 37, No 6 (June, 1989), pp. 635-644.

21. Wittke P. H., Penstone S. R., Keightley R. J. Measurements of echo parameters to high-speed full-duplex data transmission on telephone circuits // IEEE J. Selected Areas Commun., vol. SAC-2, No.5 (September 1984), pp. 703 -710.

22. Шутов С. Л., Султанов Б. В. Быстрая настройка эхокомпенсато-ра модема для дуплексной связи по коммутируемому телефонному каналу // Доклады 1-й Международной Конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применения»- М., июнь 1998 Т.4.

23. Баева Н. Н. Многоканальная электросвязь и PPJI. — М.: Радио и связь, 1988.-312 с.

24. Бочков В. К, Кирюхин М. С., Лысиков А. В., Миронов Н. П., Ов-чинкин Г. М, Оськин В. А., Прохоров А. Д., Султанов Б. В., Шутов С. Л. Двухпроводный дуплексный модем // Электросвязь. 2000. - № 7. - С. 35 -38.

25. Шутов С. Л., Султанов Б. В. Корреляционный метод коррекции частотных характеристик телефонных каналов // Доклады 3-й Международной Конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применения» -М., ноябрь-декабрь 2000-Т.З.- С.145 150.

26. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

27. Оппенгейм А. В., Шафер Р. В. Цифровая обработка сигналов. -М.: Связь, 1979.-416 с.

28. Frank R. L. Phase shift pulse codes with good periodic correlation properties // IRE Trans. Inform. Theory,, vol. IT-8, October 1962, pp. 381 -382.

29. Chu D. С. Polyphase codes with good periodic correlation properties // IEEE Trans. Inform. Theory,, vol. IT-18, July 1972, pp. 531 -532.

30. Milewski A. Periodic sequences with optimal properties for channel estimation and fast start-up equalization // IBM J. Res. Develop., vol. 27, 1983, pp. 426 -431.

31. BomerL., Antweiler M. Perfect N-phase sequences and arrays // IEEE J. Select. Areas. Commun,. vol. 10, May 1992, pp. 782 -789.

32. Popovich В. M. Generalized chirp-like polyphase sequences with optimum correlation properties // IEEE Trans. Inform. Theory,, vol. 38, July 1992, pp. 1406-1409.

33. Ng J. C. L., Letaief К. В., Murch R. D. Complex optimal sequences with constant magnitude for fast channel estimation initialization I I IEEE Trans. Commun., vol. COM-46, No 3, March. 1998, pp. 305 308.

34. Султанов Б. В. Синтез тестовой последовательности с хорошими корреляционными свойствами // Материалы III Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы»- Россия, Пенза., декабрь 1998 С. 110 - 111.

35. Султанов Б. В. Основы цифровой обработки сигналов. Учеб. пособие. - Пенза: Изд-во Пензенского политехнического института, 1991. -84 с.

36. Султанов Б. В., Дорошкевич В. В. Математическая модель цифровой системы фазовой синхронизации с накапливающими сумматорами // Тез. докл. конф. "Защита информации в сетях и системах связи ". Пенза, ПНИЭИ, 25 - 28 апреля 2000. - С. 65.

37. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. — М.: Радио и связь, 1982.-824 с.

38. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. / Под ред. Шахгильдяна. В. В. М.: Радио и связь, 1989. - 320 с.

39. Шахтарин Б. К, Губанов Д. А., Волчихин В. И. Моделирование и расчет цифровых систем фазовой синхронизации. Учеб. пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996. - 60 с.

40. Шахгилъдян В. В., Ляховкин А. А. Системы фазовой автоподстройки частоты. Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Связь, 1972, - 447 с.

41. Системы фазовой синхронизации. / Под ред. В. В. Шахгилъдяна, Л. Н. Белюстиной, глава 11.- М.: Радио и связь, 1982. 290 с.

42. Цифровые системы фазовой синхронизации. / Под ред. М. И. Жодзишского. -М.: Сов. радио, 1980. 208 с.

43. Линдсей У. Ч., Цзе Цзамин. Обзор цифровых систем фазовой автоподстройки частоты // ТИИЭР. 1981. - Т. 69. - № 4. - С. 12 - 33.

44. Шахтарин Б. И. Статистическая динамика систем синхронизации. -М.: Радио и связь, 1998.- 488 с.

45. Шахтарин Б. И, Сизых В. В., Курочка Б. Я. Исследование статистических характеристик дискретных ФАС первого порядка // Вестник МГТУ, Сер. Приборостроение. 1992. - №3. - С. 89 - 110.

46. Шахтарин Б. И., Курочка Б. Я. Статистическая динамика нелинейных систем радиоавтоматики. Ч. 1. Анализ непрерывных и дискретных систем первого порядка. М.: МГТУ 1992. - 228 с.

47. Шахтарин Б. И. Анализ систем синхронизации при наличии помех. М.: ИПРЖР, 1996. - 252 с.

48. Бочков В. К, Кирюхин М. С., Лысиков А. В., Миронов Н. П., Овчин кин Г. М, Оськин В. А., Прохоров А. Д., Султанов Б. В., Шутов С. Л. Дуплексный модем. Патент России №2147791, апрель, 2000.

49. Каппелини В., Константинидис А. Дж., Эмилиани 77. Цифровые фильтры и их применение М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.

50. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов М.: Мир, 1978. - 848 с.

51. Марков С. Цифровые сигнальные процессоры. М.: Микроарт,1996.

52. Процессоры цифровой обработки сигналов фирмы Texas Instruments. -М.: СЬСАН, 1999.

53. Султанов Б. В. Применение цифровых систем фазовой синхронизации для измерения сдвига частоты гармонического сигнала на фоне шума // Радиотехника. 2000. - № 9. - С. 21 - 26.

54. Султанов Б. В., Ольшевский Н.Н, Катаев Е. Д. О проблемах построения ЦУПС на микропроцессорах // Тез. докл. конф. " Пути создания интегральных цифровых сетей связи ".-Ленинград, 1983 г.

55. Гаврилюк М. С. Исследование импульсно-фазовой автоподстройки частоты: Дисс. канд. тех. наук. Одесса, 1970. - 258 с.

56. Макаров А. К. Исследование ИФАП асимптотическим методом // Тр. МЭИ. 1974. - Вып. 193. - С. 18 - 22.

57. Прохладим Г. H. Алгоритм расчета системы импульсно-фазовой АПЧ с фильтром первого порядка // Радиотехника. 1997. - № 9. - С. 37 -39.

58. Казаков Л. Н., Палей Д. Э. Анализ полосы захвата импульсной системы фазовой синхронизации третьего порядка с пилообразной характеристикой детектора // Радиотехника. 1998. - № 1. - С. 29 - 35.

59. Шахгильдян В. В., Пестряков А. В. Исследование динамики системы ИФАПЧ с цифровым интегратором // Системы и средства передачи информации по каналам связи: Тр. учебных институтов связи Ленинград, ЛЭИС, 1980.-С. 122-132.

60. Рыжков А. В. Комбинированная система ФАПЧ с реверсивным поиском // Электросвязь. 1975. - № 10. - С. 68 - 70.

61. Кабанов А. Н., Пестряков А. В. Исследование динамических характеристик системы ИФАПЧ с частотным детектором // Радиотехнические системы и устройства: Тр. учебных институтов связи Ленинград, ЛЭИС, 1983.-С. 107-114.

62. Линдсей У. Ч. Системы синхронизации в связи и управлении -М.: Советское радио, 1978. 600 с.

63. Витерби Э. Д. Принципы когерентной связи. М.: Советское радио, 1973.-344 с.

64. Falconer D. D. Jointly adaptive equalization and carrier recovery in two-dimensional digital communication systems // The Bell Systems Technical Journal. 1976. -Vol. 55 - №3. - March. - P. 317 — 334.

65. Ling F. Echo-cancellation. Патент США №4813073, March 14,1989.

66. A. c. 1225034 СССР. Цифровое устройство фазовой синхронизации / Султанов Б. В., Афанасьев Л.Н., Шутов C.JI., Дорошкевич Л.Н., Райков В.Н. II Открытия. Изобретения. 1986. - №14.

67. Султанов Б. В., Афанасьев Л. Н., Годухин М. В. Цифровая система фазовой синхронизации. // Автоматизация процессов обработки первичной информации: Межвуз. сб. науч. тр. Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1990.-С. 108-112.

68. Ермолаев В. А. Об устойчивости фазовых траекторий цифровых динамических систем формирования сигналов // Доклады 3-ей Международной Конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применения». -М., 29 ноября 1 декабря 2000. - Т. 1. - С. 29 - 34.

69. А. с. 1246395 СССР. Цифровое устройство фазовой синхронизации / Афанасьев Л.Н., Султанов Б. В., Дорошкевич Л.Н., Миронов Н. 77., Климин В. П., Райков В.Н. II Открытия. Изобретения. 1986. - №27.

70. Султанов Б. В., Юрманов В. А. Исследование погрешности время-импульсного квадратора на двоичном умножителе. // Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1982, вып.12, С. 149-154.

71. Бахвалов Н. С. Численные методы. М.: Наука, 1973. - 632 с.

72. Шевченко Ю. В. Исследование помехоустойчивых методов синхронизации в системах передачи данных с однополосной модуляцией: Дис. канд. техн. наук. Одесса: ОЭИС. - 1982. -247 с.

73. Математические основы теории автоматического регулирования. / Под ред. Чемоданова Б. К. М.: Высшая школа, 1971. - 808 с.

74. Иванов В. А., Ющенко А. С. Теория дискретных систем автоматического управления. — М: Наука, 1983. — 336 с.

75. Султанов Б. В., Шутов С. Л., Захаренков В. Е. Результаты измерения параметров эхо-сигналов в реальных каналах связи // Тез. докл. конф. "Защита информации в сетях и системах связи ". — Пенза, ПНИЭИ, 25 28 апреля 2000. - С. 63.

76. Honig M.L. Echo-cancellation of voiceband data signals using recursive least squares and stochastic gradient algorithms I I IEEE Trans. Commun., vol. COM-33, No 1, Jan. 1985, pp. 65-73.

77. Ciofjy J.M., Kailath T. An efficient RLS data driven echo-canceller for fast initialization of full duplex data transmission // IEEE Trans. Commun., vol. COM-33, July 1985, pp. 601-611.

78. Ciofjy J. M A fast echo canceler initialization method for CCITT V.32 modem // IEEE Trans, on Commun., vol. 38, No 5 (May, 1990), pp. 629 -638.

79. Long G., Ling F. Fast initialization of data driven Nyquist in-band echo canceler // IEEE Trans, on Commun., vol. 41, No 6 (June, 1993), pp. 893 -904.

80. CCITT, "V.32 A family of 2-wire, duplex modems operating at data signalling rates of up to 9600 bit/s for use on the general switched telephone network and on leased telephone circuits", CCITT Red Book, Pasicicle VIII., pp. 221-238,1984.

81. Султанов Б.В., Шутов С.Л., Захаренков B.E. Измерения параметров эхо-сигналов, возникающих при дуплексной передаче данных по коммутируемым каналам передачи данных // Электросвязь. 2002. - № 10. -С. 34-37.

82. Chen X., Suzuki М., Miki N., Nagai N. Simultaneous estimation of echo path and channel responses using full-duplex transmitted training data sequences // IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 41, No 5 (Sept., 1995), pp. 1409 -1417.

83. Li W., Chen X., Wang Y, Miki N. Frequency and symbol rate offset compensating algorithms for simultaneous estimation of echo and channel responses // IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 44, No 4 (July, 1998), pp. 1702 -1708.

84. Захаренков В. Е., Султанов Б. В. Измеритель первичной информации о параметрах эхо-сигналов // Тез. докл. конф. "Защита информации в сетях и системах связи Пенза, ПНИЭИ, 25 — 28 апреля 2000. - С.60.

85. Султанов Б. В., Захаренков В. Е. Алгоритм обработки первичной информации о параметрах эхо-сигналов // Тез. докл. конф. "Защита информации в сетях и системах связи ". Пенза, ПНИЭИ, 25 — 28 апреля 2000.-С.62.

86. Шутов С. JI., Султанов Б. В., Захаренков В. Е. Корреляционный корректор частотных характеристик телефонных каналов // Тез. докл. конф. "Защита информации в сетях и системах связи ". Пенза, ПНИЭИ, 25 - 28 апреля 2000. - С.64.

87. Боккер П. Передача данных. Т. 1. М.: Связь, 1980. - 264 с.

88. Нормы на электрические параметры каналов тональной частоты магистральных и внутризоновых первичных сетей / Министерство связи СССР. М.: Радио и связь, 1983. - 40 с.