автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение достоверности передачи цифровых данных через кабельные линии

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

ГЛАВА 1. ПЕРЕДАЧА ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Состояние вопроса.

1.1. Системы передачи цифровой информации по линиям связи.

1.2. Методы повышения качества систем связи.

1.3. Задачи исследования.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ В ЛИНИЯХ СВЯЗИ.

2.1. Параметры систем передачи данных и линий связи.

2.2. Параметры эквивалентных схем линии передачи.

2.3. Оценка искажений сообщения.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. МОДИФИЦИРОВАННЫЙ МЕТОД ПРИЁМА И ДЕКОДИРОВАНИЯ.

3.1. Постановка задачи. Способы различения детерминированных сигналов.

3.2. Традиционная схема декодирования.

3.3. Модифицированный метод декодирования.

3.4. Критерии сравнения способов декодирования.

3.5. Сопоставление традиционной и модифицированной схем декодирования.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ПОИСК ПАРАМЕТРОВ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ.

4.1. Выбор метода идентификации цепи.

4.2. Оценка параметров искажающей линии.

4.3. Блок идентификации параметров линии передачи.

4.4. Результаты испытаний блока идентификации.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ С МОДИФИЦИРОВАННЫМ БЛОКОМ ДЕКОДИРОВАНИЯ.

5.1. Методика модельных испытаний.

5.2. Математическая модель системы передачи данных.

5.3. Результаты испытаний модели системы передачи информации.

5.4. Стенд для испытаний цифровых систем связи в условиях имитации помех и искажений.

5.5. Выводы.

Важнейшими тенденциями развития систем цифровой связи является увеличение скорости передачи и снижение спектральной плотности сигнала за счёт расширения занимаемой полосы частот в результате использования псевдослучайного кодирования. Традиционный подход к построению таких систем состоит в предъявлении достаточно высоких требований к частотным характеристикам линий передачи, при которых влияние искажений на трассах распространения сигнала сказывается слабо. Часто прокладка новых линий кабельной связи с допустимым уровнем динамических искажений, случайных помех и, в конечном счете, с малой вероятностью ошибочного приема цифрового символа оказывается затруднительной или приходится использовать диапазоны несущих колебаний, в которых сильнее проявляются искажения сигналов при их распространении.

В работе предложен и анализируется метод декодирования цифровых сообщений, искаженных в линиях передачи, который основан на использовании в приемном устройстве динамической модели линии и нахождении двухуровневой опорной декодирующей последовательности по моментам перехода реакции модели через нуль. Показано, что модифицированный метод декодирования позволяет повысить энергию принятого сигнала и снизить вероятность ошибочного приема при определенных параметрах кода и линии.

Научная новизна. При решении поставленных задач получены следующие новые научные результаты:

• показана возможность повышения верности распознавания переданных символов при недостаточной априорной определённости параметров передающей аппаратуры и кабельных линий передачи;

• предложена математическая модель устройства декодирования сигнала, которое позволяет частично корректировать влияние межсимвольных искажений;

• проведены количественные оценки выигрыша в уровне точности распознавания за счёт применения нового способа декодирования в условиях заметных межсимвольных искажений принятых сигналов;

• даны количественные оценки ухудшения кодовой защищённости линий передачи, работающих с заметными межсимвольными искажениями;

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

• защищённая авторским свидетельством методика позволяет повысить качество распознавания переданных символов по сравнению использованием стандартной аппаратуры в условиях недостаточной пропускной способности линии и влияния шума;

• для снижения вероятности ошибок распознавания в указанных условиях необходимо оценить текущие параметры искажающих цепей и улучшить согласование устройства декодирования с искажённым полезным сигналом;

• полезный эффект от предложенной методики возрастает при увеличении длины последовательности, кодирующей передаваемые информационные биты;

• наибольший выигрыш от использования методики обеспечивается при автоматической коррекции параметров модифицированного устройства по измерениям формы сигналов на приёмном конце.

Практическая ценность результатов:

• предложен способ повышения эффективности передачи цифровой информации по кабельным линиям связи с недостаточной пропускной способностью;

• разработаны новые технические решения обработки принятого сигнала и методика выбора параметров приёмников цифровой информации, переданной по искажающим линиям связи;

• разработано программное обеспечение для модифицированного цифрового корреляционного устройства декодирования потока сигналов на приёмном конце искажающей линии передачи.

Методы исследований:

• анализ реакции электронных цепей на типовые входные сигналы;

• прямое и обратное Фурье-преобразования;

• параметрическая идентификация электронных цепей по их временной реакции на определённые входные сигналы;

• математическое моделирование процессов в приёмнике цифрового сигнала в условиях шума;

• параметрический синтез электрических цепей с заданной импульсной реакцией;

• численные методы поиска минимума функции нескольких переменных;

• физическое моделирование для частичной проверки разработанных рекомендаций.

Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью математического моделирования и физического макетирования, а также согласованностью с данными, представленными в литературе.

Апробация работы, публикации, личный вклад соискателя, внедрение и использование результатов. Основные результаты работы докладывались на 4-ой (25-26 февраля 1998 г.), 5-ой (2-3 марта 1999 г.), 6-ой (1-2 марта 2000 г.), 7-ой (27-28 февраля 2001 г.), 8-ой (28 февраля - 1 марта 2002 г.) Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, г., Москва; на Международном форуме по волновой электронике и её применениям (14-18 сентября 2000г.), С.-Петербург. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ [49, 67, 73, 75, 76, 79-83], в том числе 6 работ без соавторов, другие 4 публикации - в соавторстве с научным руководителем. Получено 1 свидетельство Федерального института патентной собственности на полезную модель. Результаты работы использованы в практической деятельности российских радиотехнических предприятий (имеются 2 Акта о внедрении) и в учебном процессе МЭИ (имеется Акт о внедрении).

Структура и объем работы. Диссертационная работа, изложенная на 121 страницах текста состоит из Введения, пяти глав, Заключения, Списка литературы из 83 наименований и 4 Приложений. Работа содержит 40 рисунков и 4 таблицы.

Результаты работы опубликованы в 10 печатных работах, получено 1 свидетельство Федерального института патентной собственности Российской федерации на полезную модель. Апробация работы проведена в ходе 6 выступлений на Международных научно-технических конференция. Результаты работы использованы в учебном процессе МЭИ при создании цикла лабораторных работ по искажениям сигналов в цепях, в практической деятельности Межотраслевого научно-технологического центра «Наука» и Научно Технического Центра Испытания Радиоэлектронных Средств, что подтверждено актами (Приложение 4).

Заключение

Проведена научно-исследовательская работа, в которой решена важная задача повышения качества передачи цифровых данных по существующим линиям передачи, не полностью удовлетворяющим требованиям стандартов.

Были разработаны программные и аппаратно-программные модели системы, результаты испытаний которых показали соответствие полученных результатов теории и источникам в литературе.

1. Немировский М.С. Цифровая передача информации в радиосвязи. М.: Связь, 1980.-256 с.

2. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. -М.: Радио и связь, 1982. 304 с.

3. Филиппов Л.И. Физические принципы и техника передачи дискретной информации. М.: Высш. Школа, 1978. - 103 с.

4. Козленке Н.И. Помехоустойчивость дискретной передачи непрерывных сообщений. Воронеж. - 2001. - 520 с.

5. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: ИЛ, 1963. - 829 с.

6. Павлишин М.В., Иванов А.Н., Павловский А.С., Гриненко И.Н. В

7. Интернет по электропроводу. Технология PLC для решения проблемы "последней мили". // Технологии и средства связи, 2001 г, №4. с. 52-58.

8. Диксон Р.К. Широкополосные системы. М: Связь, 1979. 219 с.

9. Будко П.А. Повышение эффективности радиолиний при адаптивном управлении аппаратурным и частотным ресурсами на узлах связи. // Радиотехника, 2001 г., №8, с. 28-31.

10. Вопросы помехоустойчивости систем связи: Сб. науч. тр. Одес. электротехн. ин-та связи им. А. С. Попова / Редкол.: И. П. Панфилов (отв. ред.) и др.. Одесса: ОЭИС. - 1989. - 143 с.

11. Брызгалов А.П., Волков П.В. Способ передачи и приема информации. Патент РФ №2106066. Оп. 27.02.1998. МКИ Р01 К1/00

12. Витерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования. М.: Радио и связь, 1982. - 536 с.

13. Брызгалов А.П. Основные энергетические соотношения канала связи со сверхширокополосным сигналом при автокорреляционной обработке. // Радиотехника и электроника, т. 47, 2002, №2 , с. 210-219.

14. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов / Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. М: Радио и связь, 1986. - 304 с.

15. Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов. М.: Сов. Радио, 1977.-400 с.

16. Брызгалов А.П. Обобщенная базовая корреляционная функция сверхширокополосных сигналов большой длительности. // Радиотехника и Электроника, Том 47 №1 . М.: Наука, 2002, с. 84-96

17. Проблемы теории и техники помехоустойчивого приема радиотехнических сигналов: Межвуз. сб. науч. тр. / Парамонов А. А. -М.:МИРЭА.- 1992.- 159 с.

18. Алгоритмы помехоустойчивого приема радиотехнических сигналов: Межвуз. сб. науч. тр. / Моск. ин-т радиотехники, электрон, и автоматики Редкол.: Виницкий А. С. (отв. ред.) и др.. М.: МИРЭА. -1989.- 157 с.

19. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Анализ помехоустойчивости приема дискретных сообщений при совмещении операций демодуляции и декодирования. // Радиотехника, 2000 г., №5, с. 32-37

20. Бэрри Нанс. Компьютерные сети: Пер. с англ. М.: БИНОМ, 1995. -400 с.

21. Протоколы информационно-вычислительных сетей: / С.А. Аничкин, С.А. Белов, А.В. Бернштейн и др.; Под ред. И.А. Мизина, А.П. Кулешова. М.: Радио и связь, 1990. - 504 с.

22. Регламент радиосвязи. Т.1. М.: Радио и связь, 1985. - 509 с.

23. Ибатуллин Э.А. Электромагнитная совместимость и помехоустойчивость информационных систем. Казань: Изд-во Казан, унта. -1989. - 151 с.

24. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. -М.: Сов. Радио, 1970.- 727 с.

25. Коржик В.И., Финк JI.M., Шелкунов К.Н. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений: справочник. М.: Радио и связь, 1981. - 231 с.

26. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. T.l. М.: Сов. Радио, 1977.-349 с.

27. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации/ Под ред. Зюко А.Г. М.: Радио и связь, 1985. - 279 с.

28. Немировский М.С. Цифровая передача информации в радиосвязи. -М.: Связь, 1980.- 198 с.

29. Simon М.К. Spread spectrum communicaton. New York: McGraw-Hill, 1994.-95 p.

30. Бородин C.B. Искажения и помехи в многоканальных системах радиосвязи с ЧМ. -М.: Связь, 1976. -256 с.

31. Евгеневич-Чекан О.В. Расчеты суммарных помех и искажений в трактах передачи ТВ сигналов / Электросвязь, 1982, №3. С. 23-42

32. Фалько А.И., Бондарев С.И. Адаптивный прием широкополосных сигналов в многолучевых каналах. // Радиотехника, 2001 г., №8, с. 13-16.

33. Харисов В.Н., Павлович Е.В., Гордеев Д.В. Использование метода интегральной аппроксимации для синтеза помехоустойчивых алгоритмов приема сигналов СРНС.// Радиотехника, 2001 г., №7, с. 30-38.

34. Репин В.Г., Лагуткин В.Н., Ким А.К., Лукьянов А.П. Адаптивная компенсация переменных фазовых искажений при обработке последовательности цифровых изображений. // Радиотехника, 2000 г., №1, с. 81-86.

35. Гинзбург С.Г. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. -М.: Советское радио, 1954. 252 с.

36. Когновицкий Л.В., Ржига Л.О. Межсимвольная и межканальная интерференция в системах передачи цифровой информации. -М., МЭИ, 1998. -39с.

37. Тихонов. В.И. Оптимальный прием сигналов. М., Радио и связь, 1983.- 320с.

38. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. шк., 1988.-448 с.

39. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. -М.: Радио и связь, 1998. 151 с.

40. Гладков В.Е. Характеристики корреляционного приемника с зашумленным опорным сигналом. // Радиотехника, 2000 г., №5, с. 50-53.

41. Пинчук А.В. Цифровые системы передачи для двухпроводных абонентских линий (ЦСПАЛ). Технологии и средства связи, ГРОТЕК, Москва, 1997, N3, с. 16-22.

42. Спутниковая связь и вещание./Под ред. Л.Я. Кантора. 3-е изд. М., Радио и связь, 1997. -527с.

43. Денисенко А.Н., Стеценко О.А. Теоретическая радиотехника. Часть 1.Детерминированные сигналы (методы анализа). М., Издательство стандартов., 1993. -215 с.

44. Современная теория фильтров и их проектирование. Под ред. Г. Темеша и С. Митра. Пер. с англ. М.: Мир, 1977. - 557 с.

45. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. М.: Советское радио, 1969. - 752 с.

46. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. -М.: Радио и связь, 1985. 231 с.

47. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи: Пер с англ. М.: Сов. Радио, 1970.

48. Разработка методов повышения помехозащищенности и разведзащищенности военных систем спутниковой связи путемиспользования сверхширокополосных сигналов. Отчет по теме НИР №2268960, МЭИ, каф. ФКС, рук. темы Белов Л.А., исп. Ямщиков О.В., 2001.-56 с.

49. Белов Л. А., Ямщиков О.В. Модифицированный метод декодирования искажённых сообщений. // Радиотехнические тетради, 2000 г., №15. с. 15-17.

50. Помехоустойчивость систем связи: Сб. науч. тр. Одес. электротехн. ин-та связи им. А. С. Попова /; Редкол.: И. П. Панфилов (отв. ред.) и др..- Одесса: ОЭИС. 1990. - 127, с.

51. Шахтарин Б.И. Случайные процессы в радиотехнике. Цикл лекций.- М.: Радио и связь, 2000. 584 с.

52. Гиндлер И. В. Помехоустойчивость квадратурного корреляционного приема сигналов в диспергирующих средах на фоне белого шума и реверберационной помехи / И. В. Гиндлер, Ю. А. Кравцов, В. Г. Петников.- New York etc.: Acad, press. 1987. - 15 с.

53. Литвин M.B. Обработка сигналов при гауссовой аппроксимации амплитуды. // М. "Радиотехника", 2001 г., №9, с. 21-25.

54. Ипатов В.П. Периодические дискретные сигналы с оптимальными корреляционными свойствами. М.: Радио и связь. - 1992. - 152 с.

55. Колданов А.П. Построение устойчивых алгоритмов распознавания помех. // Радиотехника, 2001 г., №9, с. 17-20.

56. Попов П.А. Автоматические компенсаторы амплитудно-фазовых искажений. Воронеж. - 1998. - 199 е.: ил.

57. Гроп Д. Методы идентификации систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. - 302 с.

58. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Пер. с англ. М.: Мир, 1975.- 685 с.

59. Сигорский В.П., Фесченко В.А., Мельник А.С. Моделирование и идентификация узлов электронной техники. Киев: РД НТП, 1981. - 26 с.

60. Свистунов С.Ю. Развитие методов синтеза цепей и идентификации параметров моделей радиокомпонентов: 05.12.01 Теорет. основы радиотехники. Дис. канд .техн. наук. - М. МЭИ/Техн ун-т/, УДК 621.396.69(043.3) - 1996. - 199 л.

61. Современные методы идентификации систем: Пер. с англ./Под ред. П. Эйкхоффа. -М.: Мир, 1983. 400 с.

62. Mohanty N. Random signals estimation and identification: Analysis and applications. New York: Van Nostrand Reinhold. - 1986. - XII, 626 c.

63. Элементы и системы оптимальной идентификации и управления технологическими процессами: Сб. науч. тр. / Тул. политехи, ин-т Редкол.: В. С. Карпов (отв. ред.) и др.. Тула: ТПИ. - 1988. - 152 с.

64. Диагностика и идентификация электрических цепей: Межвуз. сб. науч. тр. / Дальневост. политехи, ин-т им. В. В. Куйбышева Отв. ред. Н. В. Киншт. Владивосток: ДВПИ. - 1989. - 172 с.

65. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. -М.: Наука, 1964. -772 с.

66. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Под ред. И.Г. Арамановича. -М.:Наука, 1977 832 с.

67. Ямщиков О.В. Идентификация параметров линий передачи, искажающих цифровые сигналы. // 8 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, М.: МЭИ, т.1, 2002. Тезисы докладов, с.45.

68. Айзинов М.М. Анализ и синтез линейных радиотехнических цепей в переходном режиме. М.: Энергия, 1968. - 376 с.

69. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. М.: Связь, 1976. -149 с.

70. Финк JI.M. Сигналы, помехи, ошибки. М.: Радио и связь, 1984. -256 с.

71. Spiker J., Jr. Nonperiodic energy communication system capable of operating at low signal-to-noise ratios, U.S. Patent 3638121, Jan. 25. 1972

72. Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. -М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998.-140 с.

73. Belov L.A., Yamschikov O.V. Digital Information Transfer On Communication Lines With The Limited Throughput. // Proc. of International Forum on Wave Electronics and Is Applications, St.-Petersburg, Russia, 2000. p.174-178.

74. Журавлев В.И. Системы синхронизации. M.: Радио и связь, 1986. -148 е.: ил.

75. Ямщиков О.В. Модифицированный метод декодирования цифровых сообщений, искаженных в линиях передачи. // 5 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, М.: МЭИ, т.1, 1999. Тезисы докладов, с. 57.

76. Кларк Дж. Мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М.: Радио и связь, 1987. -392 с.

77. Фурман Я.А., Роженцов А.А. Класс кодирующих последовательностей с нулевым уровнем корреляционных шумов при сжатии сигналов. // Радиотехника, 2000 г., №5, с. 38-43.

78. Ямщиков О.В. Программный комплекс моделирования и анализа влияния помех на работу компьютерных сетей передачи информации // 4 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, М.: МЭИ, т. 1, 1998. Тезисы докладов, с. 44.

79. Белов JI.A., Ямщиков О.В. Модифицированный метод декодирования цифровых сообщений, искаженных в линиях передачи. // Вестник МЭИ, М: МЭИ, 2000 г. № 5. с. 24-27.

80. Белов Л.А., Ямщиков О.В. Система передачи кодированной информации. Свидетельство на полезную модель № 19618.// Б.и. № 33, 2001 г. Приоритет от 06.03.2001.

81. Ямщиков О.В. Аппаратно-программный комплекс исследования систем цифровой связи. // 5 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, М.: МЭИ, т.1, 1999. Тезисы докладов, с. 57-58.

82. Ямщиков О.В. Исследование систем передачи кодированной цифровой информации по линиям связи с ограниченной пропускной способностью. // 7 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, М.: МЭИ, т.1, 2001. Тезисы докладов, с 46.