автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности АСУ ТП и ведомственных систем связи на основе развития теории цифровой обработки информации

ИИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

Днепропетровский горний институт

Для слуяебного пользования Экз.? ¿>5"о

На правах рукописи

УДК 658.012.011.56:002 : 621.396.676

КУЗНЕЦОВ Георгий Витальевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСУ ТП И ВЕДОМСТВЕННЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Специальности: .

05.13.07 Автоматизация технологических процессов и производств (промипленность)

05.12.02 Системы и устройства передачи информации по каналам сзязи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Днепропетровск - 1992

.--'л •■

Работа выполнена а Днепропетровской горной институте

Официальна оппоненты':

академик Академии инвеиерных наук Украины, доктор технических наук, профессор Л.В.Доровскнх доктор технических наук, профессор В.С.Егоров доктор технических наук, про£ессос ?..&.С..-с;льников

Ведуцее предприятие -Киевский институт автоматики

О 1 ?

Зацита диссертации состоится " д " __ 1992г.

в час. на заседании специализированного совета Д 068.08.02

в Днепропетровской горной институте (320600, ГСП, г.Днепропетровск, 27, пр.К.Маркса, 19).

С диссертацией иокно ознакомиться в библиотеке института.

£

Автореферат разослан V_• _"Ц_ 1992г.

УченыИ секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент „ В.Т.Заика

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТЫ

Актуальность работы и состояние вопроса. Неотъемлемой частью систем автоматического и автоматизированного управления, наряду со средствами автоматики,телемеханики и вычислительной техники являптся средства передачи информации (связи), обеспечивающие управление как производством в целом, так и отдельными технологическими процессами. Поскольку существо систем управления любого назначения составляет переработка информации, ни одна такая система не монет функционировать без необходимого комплекса технических и программных средств связи.

Особое место в системах производственной связи занимают средства радиосвязи. Они включают системы низовой радиосвязи для двух основных категорий абонентов:

- находящихся на подвижных объектах производственно-технологического назначения(экскаваторы; автомобильный и зелезнодо-ронкнй транспорт; подвивные бригады бурильщиков, взрывников и т.д.). В данном случае лроизводственная радиосвязь является единственно возможным средством, обеспечивающим включение под-р.чзпнх объектов в общий информационный контур АСУ ТП;

- работающих в стационарных условиях, к которым прокладка проводных каналов связи экономически нецелесообразна.

И з первом, и во второй случае радиосвязь, обеспечивая управляемость работой перечисленных технологических объектов, позволяет значительно снизать непроизводственные простои технологического оборудования, уненьипть холостые пробеги транспортных единиц, повысить оперативность аварийных и ренонтно-восста-•швнтельннх работ, т.р., в конечном 1!тоге - в полном объеме реализовать основное назначение АСУ ТП'- повышение произ'водн-тельности и качества работ.

Доля радпогр-иэн в обцем комплексе средств производственной связи в основных отраслях прокыпленности на начало 90-х гг. состазлзвт: в ' горподобьшапчей проинвленности - 15...202, в металлургическое', .п химической пгогазленнасти - 8... 102, в строительстве - в.,.2?7..

Оценкзая уровень, достигнут'!': в насей республике и других, странах СНГ по разработке и эксплуатации систем и средств радиосвязи прпйэзодствгнно-тгхиологического и специального назначения. слелмьт признать, что он значительно отстает от уровня зконой!!" развиты;: стрзк как качественно, та.1; и количествен-

но, и не соответствует запросам народного хозяйства на современном этапе.

Объясняется это рядом объективных и субъективных причин, преаде всего: недостаточным обобщением материалов теоретических исследований; отсутствием комплексного подхода к проектированию средств и систем связи с позиции системного единства перспективных методов обработки информации, последних достижений микроэлектронной технологии, особенностей эксплуатационно-технических условий развития систем производственной радиосвязи и специальных средств связи; ведомственной разобщенностью исследований; эксплуатацией морально и физически устаревшей аппаратуры. Следствием этого является недостаточный уровнь автоматизации управления основными технологическими процессами.

Сказанное убевдает в том, что повышение эффективности АСУ ТП и ведомственных систем связи на основе развития теории цифровой обработки информации является словной научно-технической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение. Решению этой проблемы и посвящена данная диссертация.

Исходной основой диссертации являются:

- фундаментальные работы по теории обработки информации В.А.К'отелышкова, К.Шеннона, Н.Винера, • /I.II.Колмогорова, А.А.Харкевича и др;

- теоретические и прикладные исследования по передаче и цифровой обработке речевой информации М.Д.Бенедиктова, Т.К.Вин-цвка, Г.В.Горелова, А.Г.Зюко, .. Г.Н.Котовича,-Н.В.Назарова, Н.М.Пилипчук , В.А.Погрибного , О.Н.Порохова , Ю.Н.Прохорова, Н.В.Ситняковского и др.;

- работы в области исследования .редств и систем связи производственного и специального назначения И. (¡.Дежурного, А.В.Доровских, Н.И.Писжина, Г.Б.Рогинского и др.

- публикации крупных зарубежных специалистов, таких, как Да.Беллами, Н.С.Джайант, Дж.О'Нил, Л.Рабинер, Дк.Спилкер, Р.Стил и др.

Часть исследований выполнялась автором совместно с В.И.Йу-ковицким, 11.А.Алексеевым, С.И.Войцехом, Ю.Д.Шмаковым.

Связь темы диссертациг с государственными научными программами. Работа выполнялась в соответствии с поручением Государственной комиссии по военно-промыыленним вопросам Сзвета Министров СССР от 22.02.89 г., раздел "Создание комплекса технических и программных средств для систем управления и связи

специального назначения"; в соответствии с координационным планом НИИОКР МПСС СССР, разработанным на основании указанного поручения.

Цель работы. Обобщение и развитие теоретических положений по цифровой обработке информации и практических вопросов с целью расширения функциональных возможностей и повышения.эффективности АСУ ТП и ведомственных систем связи за счет полноты и оперативности информационного обеспечения систем.

Основная идея работы состоит в предложенной комплексной концепции повышения эффективности информационного обеспечения ПСУ ТП и ведомственных систем связи с позиции системного единства цифровых методов обработки информации, микрозлектронной технологии и эксплуатационно-технологических условий развития систем производственной радиосвязи.

На заздту выносятся следующие основные научные положения и результаты исследований, полученные автором при ревении избранной научной проблемы.

1. Существенное расширение функциональных возможностей ОСИ ТП и ведомственных систем связи обеспечивается вклшчением в состав комплекса технических и программных средств подвижных объектов устройств транскодирования, саатия и технического маскирования цифровой речевой информации.

2. Установлено, что введение в структуру ЦФЙПЧ контуров адаптации ФНЧ обеспечивает минимизацию времени вхождения' в синхронизм и повышает надежность поддержания синхронизма комплекса технических и программных средств подвижных объектов производственного назначения.

3. В управляющих алгоритмах сжатия дельта-модулированных речевых, сигналов.', реализуемых системами производственной связн( наиболее зффзктипнн: кетод ортогонального- преобразования Уолва с последующим векторным квантованием в пространстве спектральных коэффициентов Уолпа, метод векторного квантования в пространстве исходных отрезков фиксированной размерности.

4. Установлено, что надезнуп работу приемной и передающей аппаратуры устройства технического маскирования цифровой речевой информации обеспечивает алгоритмы анализа информационной* последовательности с поиском искаженной сннхропоследовательнос-ти (СНП) и с проверкой формирования ложной СНП.

5. Обосновано введений в управлявшие алгоритмы транскодирования ¡крененного значения коэффициента отиоаенясг чягтд* тнт-

ращения, что обеспечивает требуемое качество восстановленного речевого сигнала за счет повышения точности аппроксимации кривой изменения напрявения слогового фильтра.

6. Сформулированы требования к системам производственной радиосвязи как составной части АСУ и АСУ ТП, основанные на анализе принципов организации информационного обеспечения в АСЫ ТП и обобщенной классификации систем связи с подвижными объектами,

7.Теоретически обоснована структура многофункционального комплекса технических и программных средств подвижных объектов, инвариантного к классам задач, решаемых ведомственными системами радиосвязи, включающая группу устройств цифровой обработки информации - технического маскирования, сжатия и транскодирования цифровых речевых сигналов.

8. Теоретически обоснован алгоритм адаптации цифрового фильтра в контуре ЦФАПЧ в зависимости от уровня шумов в канале связи и величины рассогласования сигналов задающего (эталонного) и ведомого синхрогенераторов, разработанный на основе классификации методов и средств синхронизации систем цифровой обработки информации. • .

9. Предлоаена функциональная и алгоритмическая структура программно-управляемого устройства технического маскирования, разработанная на основе анализа теоретико-информационных и вычислительных свойств криптоалгоритмов и классификации иетодоз защиты информации.

10. Разработаны управляющие алгоритмы сзатия цифровых речевых сигналов, базирующиеся на методах ортогональных преобразований Уолша, Фурье и математическом аппарате векторного квантования, обеспечивающие скорость в канале связи 4,8 кйит/с (ИКИ) и 2,4 кбит/с (АДМ).

11.Обоснованы управляющие алгоритмы транскодирования цифровых речевых сигналов для трактов ЛДМ=£=ИКМд., ЛДМ ИКМ^ . Теоретически установлены закономерности и экспериментально обоснованы пределы, изменения шагов квантования аппроксимирующего напряжения транскодеров, а также характер влияния коэффициента отношения вагов приращения на вид характеристики защищенности и, в конечном итоге , на качество транслированного цифрового речевого сигнала.

Методы исследований. В процессе выполнения исследований приивнвни: анализ и научное обобщение литературных источников по исходным посылкам исследований; методы спектрального анализа

и математический аппарат теории векторного квантования; методы теории вероятностей и статистической радиотехники; теория передачи информации и методы теории электрических цепей. В процессе исследований широко использованы методы структурного анализа, нотационное моделирование на ПЭВМ и физические эксперименты на пакетах оборудования и на действующих устройствах.

Обоснованность и достоверность научных полоаеннй, выводов 11 рекомендаций подтверждается отбором значимых процессов; принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений и представлении алгоритмов функционирования устройств и систем; обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук и основ теории спектрального анализа и цифровой обработки информации; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных для имитационной модели и реальных систем; достаточным объемом и результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается а обобщении и дальней-ием развитии теории цифровой обработки информации в системах радиосвязи производственного и специального назначения, с учетом возможностей никрозлектронной технологии и эксплуатационно-технических условий развития информационного обеспечения АСУ ТП, ведомственных систем связи и на этой основе:

-.впервые предложено использовать в контуре'цифровых ФАПЧ адаптивные фильтры, что обеспечивает минимизации времени вхоа-дения в синхронизм, а такие повышает надезность поддеряания' синхронизма аппаратур» радиосвязи подвинкых объектов технологического и специального назначения;- впервые предлояены эффективные алгоритмы сватия дельта-модулированных сигналов: с, использова; 'ем ортогонального преобразования Уолша в совокупности с математическим аппаратом векторного квантования в пространстве спектральных коэффициентов Уолза, основанные на векторном квантовании в пространстве исходных отрезков дельта-мо,'-улированного речевого сигнала фиксированной размерности.

Практическое значение работы. Целевая ориентация нсследова-■мЛ на решение проблемы повышения эффективности АСУ ТП и е-домственных систем связи позвопла выбрать направления совер-венствования информационного обеспечение этих систем, автоматизации обработки информации, разработать конкретные практические

рекомендации.

1. Обосновано включение в состав комплекса технических средств подвижных объектов программно-управляемых устройств цифровой обработки информации -технического маскирования, csa-тия и транскодирования. Это позволяет расширить функциональные возможности АСУ ТП и ведомственных систем связи за счет полноты информационных связей с основными технологическими звеньями систем, повивает оперативность управления, делает возмогным совместную эксплуатацию аппаратуры радиосвязи старого и нового поколений в наиболее сложный переходный период.

2. Разработана имитационная модель ЦФЙПЧ, позволяющая проводить комплексные исследования по структурной адаптации цифровых систем синхронизации комплекса технических и програииных средств подвиЕ1ШХ объектов связи производственного назначения.

3. На основании теоретических исследований преддоаены алгоритм и схема устройства технического маскирования информации с программный принципом управления на однокристальных микроЗВМ типа TMS 32010. Экспериментально установлено, что разработанное устройство, обеспечивая эффективную защиту передаваемой информации от несанкционированного доступа, не ухудзает качество аналогового сигнала: цифровой поток восстанавливается с высокой точностью - коэффициент искажений составл"ет 10 ... 1С с сохранением узнаваемости абонентов.

Разработаны и обоснованы управлявшие алгоритма синхронизации УШ. Установлено, что:

- при дуплексной связи синхронизации НТНИ целесообразно проводить один раз при установлении сеанса связи, а затем обеспечивать псевдоавтоматическую синхронизация. При срыве связь восстанавливается принудительной посылкой одним из абонентов синхро! зирую^ей последовательности (СПП);

- при симплексной связи.синхронизация должна .осуществляться посылками СНП с периодом порядка 0,5...2,0 с и более, в зависимости от уровнг кумов в канале связи. Размерность СНП при R долвна быть 24...32 бита:

- в особо ответственных случаям следует организовать работу УТМИ по-алгоритмам: с подтверждением приема СНП; с мажоритарной оОг-аботкой цифрового дельта-потока; с выделением па приемной стороне СНП с одним или с дзу^я искаженными битами; с поиском •sofcüfa СНП на выходе передатчика к последуввии автоматическим принудительным искагением одного или нескольких бит в обнару-

генной легчгй СЯП.

. 4. Тематически и экспериментально доказана возмояность эффективного сзатия цифровых речевых сигналов:

- дельта-модулированных - при использовании алгоритмов, основанных ка методах ортогонального преобразования Уолаа и векторного квантования в пространстве векторов СНУ;

- импульсно-кодово-ыодулирозанных - при использовании алгоритма, основанного на методе ортогонального преобразования Рурье с последующим октавным анализом и компрессией векторов СКФ.

Реализация предлояенных алгоритмов сяатия позволит повы-:ить эффективность систем радиосвязи промышленного и специально назначения за счет существенного уплотнения радиоканалов 2,3...2,5 кбит/с вместо 16 кбит/с для АДМ-речевого сигнала и 1,5...4,8 кбит/с вместо 192 кбит/с для МКУ-с.чгнала).

5. Получила дальнейшее развитие теория создания тракскоде-юв цифровых речевых сигналов, использование которых расширяет >ункциональные возможности ведомственных систем производствен-юй связи.

Теоретически основан метод, разработан аппаратно-управ-¡яеный транскодер для тракта ЛДМ ^ИКМ .Получены аналитические ависимости, описывающие работу транскодера.

Разработана обобщенная функциональная структура, теорети-

ески и экспериментально обоснованы управляющие алгоритмы

ранскодирования для тракта АДМ —ИКН. .

л

Использование программно-управляемых транскодеров в соста-е КТПС подвижных объектов расширяет функциональные возможности СУ ТП и ведомственных систем связи, обеспечивает работу ради-средств старого и нового поколений.

Реализация работы. Научные положения, выводы и рекоменда-ии, полученные в диссертационной работе, использованы:

-НИИ Радиосвязи (г.Запорожье) системные требования к труктурно-функциональному составу комплекса технических и рограммных средств связи и управления подзижных объектов спо-иального назначения; результаты анализа систем ФАПЧ с адаптив-ым фильтром в контуре обратной связи для бортовой системы инхронизации; теоретическое обоснование принципов построения, лравляющие алгоритмы, п, ,нципиальные схемы и программное о^'-с-зчение устройства транскодирования цифровых речевых сигналов з однокристальных микроЗВМ; прь^ципы г :троения, обоснование эхнических характеристик и параметров, схемы и программное

обеспечение устройства технического маскирования цифровой речевой информации на однокристальных ьшкроЗВМ; теоретическое обоснование методов снатия дельта-ыодулированных и ИКМ-речевых сигналов, управляющие алгоритмы и - программное обеспечети устройства сжатия цифровых речевых сигналов;

- Государственным университетом (г.Днепропетровск) - теоретические результаты работы в разделах курсов лекций " Метод! обработки сигналов" и " Биомедкибернетика" ;

- Институток инЕенеров железнодоро$ного транспорте (г.Днепропетровск) - теоретические и практические результат!, работы в разделах курсов лекций " Информационная техника";

-Горным институтом (г.Днепропетровск) - теоретические V. практические результаты работы в разделах курсов лекций "Электроника и ыикросхемотехника"," Электроника и основы радиотехники" для специальностей 21.01.02, 21.01.05 и 08.02.02.

Условная экономическая эффективность от внедрения теоретических и практических результатов исследований составляет 800 тыс.руб. (в ценах до 01.04.91 г.).

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение: на Всесо-езнон научно-техническом совещании "Состояние и перспективы автоматизации процессов на открытых и подземных рудниках цветной металлургии" (г.Ордюникидзе, 1982 г.); на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития цифровой звуковой техники" (г.Ленинград, 1990 г.); 17 и 18 Всесоюзных военно-научных конференциях (г.Киев, 1990, 1991 г.)'; Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы построения и оценки эффективности систем передачи специальной информации" (г.Орел, 1990г.); Всесовзнсй научно-технической конфер щии "Проблемы обработки и передачи сигналов" .(г.Рига, 1991 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Оптимизация передачи информационных потоков в системах связи с подвив-ными объектами" (г Севастополь, 1991 г.); Иеврегиональной научно-технической конференции "Цифровая обаботка сигналов в системах связи и управления" (г,Львов, 1992 г.); Меврегиональ-ной научно-технической конференции "Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи" (г.Суздаль, 1992 г.);меяот-раслевых н отраслевых научно-технических совещаниях и семинарах (г.Киев, 1990.....1992 гг.; г.Запоро*ье, 1988..... 1992 гг.).

Публикации. Основное содеряание диссертации опубликовано в

4 статьях и докладах, защищено 9 авторскими свидетельствами,

• Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, яти разделов, заключения и прилояений, содержит 95 рисунков, 8 аблиц, библиографический список из 205 наименований. Основной екст диссертации излоиен на 254 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРНАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследований.

Обоснование структуры КТПС подвияных объектов.

На современном этапе для успеаного развития экономики не-бходимо обладать, кроме-материально-технических средств и че-овеческих ресурсов, достаточным объемом информационных данных, такае возмоаностью перераспределения информации в пространс-ве и времени. Ревить эту задачу возможно только с помочью раз-ктых средств связи.

Как за рубеяом, так и в навей стране, в последние годы на-более быстрыми темпами разрабатываются сухопутные системы свя-и с подзияными объектами СССПО). Их развитие идет по двум па-аллельным ветвям: создаются новые, более совершенные ведомс-венныз системы, кроме того, все большее развитие получают сис-еиы связи с подвияными объектами общего назначения.

.Определяющими тенденциями развития ССПО являются: переход т традиционных радиальных сстей с аналоговыми методами модулями к системам с цифровыми методами обработки и передачи инфор-аций, раснирение функциональных возможностей систем за счет редоставления новых видов услуг абонентам подвияных объектов, велйчение пропускной способности систем связи, повнвение поме-оустойчивости, повыэениз структурной надежности и живучести истем.

Рассматривая особенности систем производственной связи СПС) как составной части АСУ и АСУ ТП промышленных предприя-ий, мозно выделить' основные принципы ее организации, к числу оторах относятся: соответствие степени оснащения промышленного редприптия средствами связи потребностям управления основными эхнслсгическики процессами и ззеньями; высокий технический розеиь используемого оборудования; технико-экономическая целе-ооброзног.ть принимаемых'рввеиий при создании систем производс-вэино'й си.'гул.

На практике это означает, что количество и качество применяемого оборудования СПС, а также его размещение по территории проявленного предприятия должны быть такими, чтобы обеспечивалась своевременная передача требуемого-'объема информации по управлении производственно-технологическими процессами на всех уровнях.

Данные положения основываются на достаточно очевидном выводе, что дальнейшее развитие методов и форм управления как промывленными предприятиями в целом, так и отдельными технологическими процессами, неразрывно связано с вироким внедрением средств вычислительной техники (микропроцессоров и микроЗВИ), новых поколений устройств автоматики и телемеханики. Вместе с тем, накопленный опыт показывает, что использование современных средств автоматизации на основе ЭВМ без соответствующей системы связи, обеспечивающей своевременную и достоверную передачу оперативно-технологической и управленческой информации, оказывается нерентабельным.

Требования, предъявляемые к системам производственной связи, можно условно разделить на две группы. В первую входят такие, которые являются общими как для СПС, так и для систем общего применения (оперативность, достоверность. качество передаваемой информации), причем, в ряде случаев к СПС предъявляются требования, по качественным и количественным параметрам менее жесткие, чем для сетей связи общего назначения.

Однако, специфика СПС выдвигает ряд дополнительных требований (отнесенных нами ко второй группе), которые характерны именно для АСУ и АСУ ТП.

При анализе особенностей производственной радиосвязи будем основываться на половении, что СПС нося, явно выраженный ведомственный характер, поскольку они обеспечивают обслуяивание только тех абонентов, которые задействованы в конкретном техно; логическом процессе. Следствием этого является то, что системы и средства производственной связи характеризуются рядом специфических качеств по способам организации связи, .типам применяемого оборудования, алгоритмам функционирования, принимаемым -.техническим решениям и,др., обусловленными их назначением и условиями эксплуатации.Примег тельно к рассматриваемым задачам можно отметить, что с ростом интенсивности производства увеличивается скорость изменения оперативной ситуации на основных технологических участках, при этом успешное выполнение по.став-

ленных, задач во многом будет, определяться степенью реакции лиц, занятых в контуре управления. В силу данной особенности производственная связь должна обладать качеством, отражавшим, специфику современных АСУ и АСЫ ТП: разрабатываемые устройства и системы должны обеспечивать обработку и передачу информации в реальном насжтабе времени.

На формирование, требований к СПС как элемента АСИ и АСУ ТП оказывает влияние также следуюший факт: на современных промышленных предприятиях одновременно используются различные сети связи, а в рамках отдельных сетей - больное количество разнотипных технических средств с различной формой представления сигналов (аналоговой и цифровой), с разными техническими параметрами и характеристиками производительности и качества. Обеспечить наибольиий технико-экономический эффект, повысить надежность и качество передачи информации в создавшихся условиях можно лишь путем: комплексного использования всех имевшихся видов; сетей и средств СПС в едином информационном пространстве, исключив, по-возможности, работу локальных, изолированных систем. Отсюда следует вывод о необходимости исследований с.целью создания, специальных устройств, позволявших объединить отдельные вида и сети связи, обеспечить их совместную работу в контуре информационного обеспечения АСУ и АСУ ТП - устройств транскодирования и трансмультиплексирования информации.

Развивая данный, тезис, отметим, что включение в состав средств- производственной связи устройств транскодирования позволит расиирить функциональные возможности СПС,, поскольку обеспечит возможность выхода абонентов производственных структур на -магистральные линии:АТС. ■ •

Особые условия.использования средств производственной связи характерна для предприятий горнодобывающей промышленности. В силд того„ что:, карьеры находятся на значительном расстоянии от перерабатывавших цехов: и управленческих структур; используется : большое число' подвижных единиц:горного (экскаваторы) и транспортного-Савтосаносвалы, железнодорожный транспорт) цехов; на предприятиях: работает подшшшг бригады ремонтников, бурильщиков.. взрывников; фронт работ-:непрерывно перемещается - значи*-тельнув долз'Спсрлдка; 10...207.) в СПС составляет радиосвязь.

В силу указанных особенностей в крупных промывленных регионах ии.-.атсп: больное количество потребителей радиосвязи, причем число ил постоянно увеличивается. В то не самое время количест-

во частот, выделяемых для удовлетворения потребностей производственной радиосвязи, ограничено. Словилась ситуация, когда остро ощущается нехватка частот как для развивающихся, так и для вновь открываемых сетей.

Выход из создавшегося положения возможен за счет более экономного распределения имеющегося спектра частот, а зто требует разработки устройств снижения избыточности (сжатия) передаваемой речевой информации. Создаваемые устройства сжатия должны обеспечивать передачу информации с возможно более низкими канальными скоростями в соответствии с тестированным рядом -1,2; 2,4; 4,8... кбит/с.

Начавшийся переход экономики нашего государства к рыночным формам хозяйствования формирует новое для систем производственной связи требование - обеспечивать защиту экономической и производственно-технологической информации от несанкционированного доступа. Выполнить это требование мовно путем включения в состав аппаратуры подвижных объектов связи специальных устройств технического маскирования, обеспечивающих криптозащиту информации, передаваемой по радиоканалу, с заданной временной стойкостью.

Территориальная разобщенность отдельных технологических участков и производств, работа горнотранспортного оборудования и механизмов на различных горизонтах, глубина которых ыохет достигать нескольких сотен метров, обуславливает необходимость организации ретрансляторов для связи с абонентами сети производственной радиосвязи. Известно, что минимизировать потери качества при переприемах можно при использовании цифровой формы представления передаваемой речевой информации. Кроме того, аппаратура СПС должна сохранять рабо-тоспосо.ность в условиях неблагоприятной 'электромагнитной обстановки, что выдвигает повышенные требования к' помехоустойчивости устройств систекг производственной радиосвязи.

Перечисленные факты предопределяют необходимость работы с информационными сигналами, представленными в цифровой форме.

Таким образом, анализ особенностей производственной связи как составной части АСУ и АСУ ТП, позволяет сформулировать требования к разрабатываемой аг эратуре комплекса технических и программных средств подвижных объектов, основные' из которых заключаются в следующем:

- в состав аппаратуры комплекса технических и программных

2. Исследование цифровых систем синхронизации КТПС • подвижных объектов связи.

Большинство цифровых систем связи (в том числе и подвижных объектов связи) служат для обмена информации между нескольким абонентами, т.е. являются в большей или в меньшей степени многоканальными. Для таких систем особое значение приобретают вопросы синхронизации. От того, насколько удачно решены задача синхронизации, зависит эффективность использования канала связи; от точности и надежности работы системы синхронизации зависит не только работоспособность системы связи вообще, но и всгз-нояность обеспечения криптостойкости, имитостойкоети,

помехозащищенности и других не менее важных параметров качества системы связи.

Учитывая широкое разнообразие используемых классЕЗтткащтон-ных признаков, предлагается при рассмотрении систем синхронизации выделить три уровня классификаторов (рис.2).

К группе первого (системного) уровня относятся следующие классификационные признаки: по способу передачи (получения) синхроинфорнации; по способу управления процессом синхронизации; по виду используемого синхросигнала;: гга структуре системы э топу; протокола обмена сипхроянзор-вацтгвй.

ЕГеречяслетгвэ илзепизгпгаторга кшгатся общесистемными и в ^гггтой к*рз откосятея к с^ига спстевая второго уровня.

!?с ©торваэ Сфутгагзто&ташкгд1) уровню отнесем классификаци-огггг» п?»згзяй дв-дя раэ.^гаякс по функциональному назначении сггте:? скяхр'онжззцет - класстгикаторн систем тактовой и цикло-

К третьего урэвнв отнесен признаки, играющие подчиненную • Г?.-**. по отношению к 1 и 2 уровням, классификаторы, характеризуете узко-конкретные особенности реализации: по структуре алгоритмов синхронизации; по условиям эксплуатации.

Предлоаена следувчая структура системы синхронизации; между подвизннмя узлами связи одного уровня - взаимная синхронизация; внутри подвижного узла связи - иерархическая структура с задающий генератором.

Организация иевуровневой связи - по принципу принудительной иерархической синхронизации.

Начальная синхронизация ЛСЕЙ осуществляется путем передачи специального синхрокадра, в дальнейшем ЛСЕВ работает в резиме

слевения за параметрами принимаемого сигнала.

Система внутриузловой синхронизации представляет собой классическую систему ФАПЧ. Сигнал тактового генератора, поступающий из ЛСЕВ (задающий генератор) к устройствам внутри объекта, имеет минимальное время распространения, а помехи в цепях (линиях связи) могут быть сведены к минимуму. Поэтому для синхронизации устройств внутри объекта мовно использовать метод синхронизации по задающему генератору.

При упрощении модели на основе ЦФАПЧ, часто пренебрегавт влиянием фыьтра нивних. частот (ФНЧ) системы ФАПЧ (так называемый "бесфильтровый" вариант) или исследует некоторые частные случаи применение фильтров. Да-ве анализ систем ФАПЧ с ФНЧ первого порядка приводит к получение нелинейных разностных уравнений.

В то ае время, параметры ФНЧ систем ФАПЧ оказывает существенное влияние на такие характеристики системы синхронизацш как полоса захвата, помехозащищенность, время вхождения в синхронизм. При этом требования, ' предъявляемые к параметрам ФНЧ зачастую носят противоречивый характер:, при значительных изменениях частоты входного сигнала (скачкообразное изменение час тотн весьма характерно для ¿истек связи .специального назначе низ) веяателько иметь ФНЧ с кирокой полосой пропускания дл: еозйовности отслеживания ведущей частоты в еироком диапазон (■'13 дополнительной подстройки частоты местного генератора, г^угой,- в условиях помех желательно иметь ФНЧ с узкой полосо пропускания.

Очевидно, что для достиаения компромисса между этими тре

Рис.2.Уровни классификаторов.

Эованиями, челесообразно прибегнуть к адаптации параиетров ФНЧ :истеы ФАПЧ. которая позволила бы достигнуть оптимизации работы :истемы синхронизации. Учитывая словность получения аналитичес-:их реиений для таких систем, при их анализе использованы ими-■а-чонные модели, позволившие получить оценки основных характе-1истик систпи синхронизации для различных алгоритмов адаптации.

Структура разработанного алгоритма адаптации цифровой сис-емы фазовой синхронизации с астатизмом второго порядка приветна на рис.3.

При включении контура адаптации задаются начальные значена ковариационной матрицы ошибок 0О :.

вектора весовых коэффициентов Ш0

ти.

К1,* к20

"к10 • к30 кЗп

де оо - коэффициент,учитывающий параметры фазовых флуктуация; - единичная матрица; к1 ,к2,кЗ - коэффициенты петлевого ильтра. При этом цифровой фильтр имеет бесконечную полосу про-ускания.

Затем,с учетом велй' шы дисперсии фазовых флуитуаций , пределяется начальное значение вектора коррекции ;

- - ' 01-1 и1 Эм - и;^^ '

це - вектор сигналов.для I -аа^э; Т - операция транслирования.

зеле этого рассчитывается прогноз ковариационной зтрнцы оиибок

01 = (т ' Тми1 ) 91-1 >

зктор весовых коэффициеыов :

(е 5 - сигнал ошибки (выходной сигнал фазового детектора)

Контур АДАПТАЦИИ

Рис. 3. Структура алгоритма адаптации.

и вычисляется оценка фазы входного сигнала для следующего шага, переход к которому происходит по тактовому сигналу 7Т . - На этом шаге в фазовом детекторе значение фазы входного сигнала сравнивается с его оценкой (прогнозом), сигнал ошибки посту тет на вход адаптивного цифрового фильтра, формируя вектор иг. Затем осуществляется оценка фазы входного сигнала для очередного шага, вычисляются значения вектора коррекции для текучего шага и т.д.

Выполненные исследования показали, что включение в состав цифровой системы фазовой синхронизации контура адаптации позволяет улучшить один из основных параметров системы - т.е. уменьшить время вхождения в синхронизм на 20...27% при сохранении достаточной помехоустойчивости.

3. Исследование и разработка устройств технического маскирования информации.

На основании выполненного аналитического обзора теоретико-информационных и вычислительных свойств криптографических методов и средств в диссертации разработаны функциональная и алгоритмическая структуры устройства технического маскирования цифровой речевой информации (УТМИ), которое предлагается рассматривать как локальную подсистему управления, причем функции управляющего объекта возлагаются на контроллер, а в состав объекта управления входят 'С жи закрытия, синхронизации, аутентификации и оценивания (рис.4).

Показано, что, в зависимости от уровня полномочий абонентов поджвижного объекта и помеховой обстановки в канале связи, криптографическое закрытие может выполняться по алгоритмам различной степени сложности. . В диссертаг-и приведены аппаратные эквиваленты программной реконфигурации блока закрытия.■

Как было сформулировано в р.1, аппаратура КТПС должна' обеспечивать обработку информационных сигналов в реальном масштабе времени. Кроне того, • чи использовании аддитивных методов, когда на вход блока закрытия поступает шифрующая двоичная пос-- ледовательность, при дешифрации необходимо синхронно подавать такую яг дешифрующую последовательность. Их несовпадение во времени приведет к рассинхрониз'-чии, что обусловит восприятие передаваемой информации на приемном коьцо как широкополосный

ППРЛ

.й

ШчнАЬНЫЕ ЗСТАВКИ

Г1 Команды управ-Уления от ВИВК

Управляющий объелт

Объект ыправлеиии

Контроллер УТМ5!

VI Г

иг I

—А|

из I

¥4 I

|=а

Блок ЗАКРЫТИЙ !

Енок СИНХРОНИЗАЦИИ

блок АУТЕНТИФИКАЦИИ

Блок ОЦЕНИВАНИЙ

к

И ь

(¡АУЯЕбМИЯ кторкА-цкя о ОУВК

Рис.4. Структура УТМИ.

Ркс.5. Вероятность сбоя за врека t при различной длине СНП.

|цм. Данные обстоятельства обуславливают важное значение в :труктуре УТМИ блока синхронизации.

В работе детально рассмотрены вопросы обоснования длины и структуры синхронизирующей последовательности (СИП), периодич-юсти ее посылки в канал связи,(см.рис.5.), алгоритмы установ-1ения синхронизма.

С цельи обеспечения надежной работы приемной и передающей шпаратуры УТМИ, разработаны функциональные структуры блока :инхронизации, реализующие алгоритмы: псевдоавтоматической инхроиизации; детектирования с выделением неказенной СНП; с ¡роверкой формирования лозной СНП; с мажоритарным реяимом обра-отки.

Вероятность того, что в синхронизирующую последователь-ость длиной Н попадает "испорченных" бит, определится как

до с,. = £ , -т—гт- - число сочетаний

э Нсп по 4С .

Эта вероятность с увеличением будет быстро уиеньиать-я. Наприкер, при Исп = 24 и 10 :

¿р (0,24, Ю"3) = 0,97027; ¿Р (1.24. 10"3) = 0,02345; ¿г (2,24, 10"5) = 0,00027.

Сказанное подтверждает, .что вероятность нсказения в синх-опоследовательностн 2-х и более бит пренебреяино мала, поэтому плзоатуру целесообразно проектировать т.о., чтобы алгоритм де-(зктнропзммя позволял уверенно распознавать как нгисказеннуа НИ =0). так 1Г СНП с одним неказенным битом ( ^^

Вероятность того, что до адресата дойдет посланная СНП не олес, чем с одним искаженным бито;?, или, скааеи условно, - ве-оптнссть прнпма СНП, определится как

читызея, '¡го С . и С„ =Н , после преобразований найден:

иел нсп сл

^1,нсп,рх) = (1-рх) "Ч^РхСКсп-О]

■кг

При Псп=24, рх =10 , вероятность приема СНП, содержащей не бо лее одного искажения

¿Рпр( ОУ1 , 24, 10"3) = 0,999726, а вероятность сбоя:

^сбоу! = 1 2,743-ю-4.

Это значение почти на два порядка меньше, чем вероятность сбоя для алгоритма с детектором, обнаруживающим только неискаженную СНП (для нее при тех же данных ¿^о11 2,373- 10 ).

Среднее время бессбойной работы определится в этом случае

как

£Г*сп __ 9~сп _ 9*0,

Т

П. ^^ПР 1-(1-рх)К»[1 + Рх^еп-1)] '

Для приведенных выше исходных данных и при интервале между посылками СНП 3"сп=5с, среднее время бессбойной работы

Т^сп „ г

ср = р- 53 5 час .

г v сб оу1

Даже при значении > ТСр = 35 мин , что-вполне

допустимо.

Разработанное устройство технического маскирования цифровой речевой информации реализовано на однокристальных ыикроЭВК типа ТИБ 32010. Экспериментальные исследования, количественно определяющие степень искажения цифрового информационного сигнала (речевого дельта-потока)Х3 по закрытому X*-потоку, а также артикуляционные испытания на словесную разборчивость и узнаваемость абонентов показали, что спектры выходных сигналов декодера при включении в тракт УШ1 и без него практически совпадают. Искажения дельта-потока также незначительны - Ки = (0,7 ... 7,9)-10 ~5 , что соответствует одному искаженному биту на 140... 130 тысяч бит дельта-потока. Словесная разборчивость соответствует первому классу.

4. Исследование методов и разработка управляющих алгоритмов снижения избито' :ости цифровой речевой информации.

Программно-управляемые устройства, реализующие специальные методы обработки речевых сигналов, имеющие целью уменьшить из-

бцточность передаваемой информации, становятся в последнее время-неотъемлемым компонентом систем автоматизации производства.

Существенное влияние на выбор математического аппарата и разрабатываемые управляющие алгоритмы оказывает форма цифрового проставления обрабатываемой информации, поэтому общая проблема снижения избыточности цифрового речевого сигнала в диссертации разделена на две задачи: сжатие дельта-ыодулированного сигнала; сжатие импульсно-кодово-модулированного сигнала.

Выполненный анализ и классификация методов и средств сжатия цифровых речевых сигналов позволил сделать вывод о том, что наиболее перспективными применительно к. классу рассматриваемых задач являются спектральные методы совместно с аппаратом векторного квантования.

Разработанные управляющие алгоритмы сжатия дельта-нодули-рованного речевого сигнала заключаются в следующем.

Формируются исходные выборки дельта-потока, которые затем обрабатываются с использованием ортогонального базиса Уолша. Поскольку функции Усша являются периодическими с двоично-рациональным периодом, последовательности импульсов дельта-потока представляются временными рядами, определяемыми на интервале

чевой сигнал на временнЬ интервале-10 мс имеет постоянные характеристики, т.е. за короткие промежутки времени ( I ^ 10 мс) речевой тракт можно аппроксимировать линейной инвариантной во времени системой. При скорости в канале связи 16 кбит/с,

времени 10 ыс будет соответствовать выборка из 100- отсчетов, поэтому в алгоритме к принималось р?- чым 6... 10.

Для представления реализации дельта-ыодулированного сигнала длиной М - 2х в виде коэффициентов разложения по системе ортогональных функций Уолиа использован алгоритм БПУ с упорядочением по Пдамару.

Обобщение результатов экспериментов, выполненных для различных значений N ( N=120, 256, 512) показало, что основная часть энергии спектра сосредоточена примерно в 25...302 от б-щего количества спектральных ко~*фициентов Уолиа (СНУ). Т.е., выполнив процедуру усечения вектора С,.;) по энергетичьскому признаку, в канал связи достаточно передать 1/4 часть значимых

Определяя длину каадой выборки, исходили из того, что ре.-

СНУ, по которым обеспечивается восстановление кадра ДН-речевого сигнала (обратное БПУ) без существенного ухудшения качества аналогового речевого сигнала (PC). Так, для исходного вектора ДМ-сигнала при N=512, достаточно 60...70 ненулевых коэффициентов для восстановления PC приемлемого качества, но необходимость кодирования номера каждого из оставшихся после усечения СКУ и их амплитудных значений практически не уменьшает иирину полосы сигнала в канале связи. Поэтому, на втором этапе выполнения алгоритма сватия использовался математический аппарат векторного квантования (ВК) в пространстве СКУ.

Особенность использования ВК в данном алгоритме заключается в том, что сравнение осуществляется по номерам спектральных компонент.

Мера искажения в данном алгоритме определялась как

где N1 - размерность вектора кодовой книги; Од принимает значение 1 или 0 в зависимости от того, имеется или отсутствует в исходном векторе i-я составляющая вектора кодовой книги.

В результате выполнения алгоритма, в канал связи передается номер соответствующего кодового вектора (эталона),.' а объем передаваемой информации определяется размером кодовой книги.

Вне зависимости от методики построения кодовой книги, вав-нцц является вопрос формирования обучающей выборки векторов, из которых затем формируются эталоны.

В рассматриваемом алгоритме реализован метод, позволяющий выбирать кодовые векторы без затрат на обучение, заключающийся в их случайном выборе из заданной, обучакгей выборки. В качестве обучающей выборки использовались отрезки произвольного дель-та-иодулированного речевого сигнала длиной 20480...64000 отсче тов, из которых последовательно отбирались векторы фиксированной размерности ( Н=32, 64, 128 ). Из кавдого полученного таким образом исходного кодового вектора, с использованием ортогонального преобразования Уолша, формировался вектор СКУ, являющийся векторои кодовой книги Y^ .

Практическая реализацгп данного алгоритма сжатия целесообразна при использовании быстродействующих специализированных Уоли-процессоров, обеспечивающих спектральную обработку речевой информации в реалькоы масштабе времени.

Анализ рассмотренных алгоритмов сжатия показал, что векторное квантование в пространстве спектральных коэффициентов Уолиа эквивалентно векторному квантовании в пространстве исходных векторов, представляющих собой отрезки (кадры) ДМ-речевого сигнала фиксированной ■ размерности. Подобный подход позволяет повысить быстродействие алгоритма сжатия, поскольку при этом не требуется выполнять процедуры спектрального анализа.

Методика формирования кодовой книги в данном случае заключалась в следующем. Вначале формировалась кодовая книга объемом 2000 эталонов.Затем при отработке алгоритма сжатия, минимизировались максимальные отклонения исходных векторов относительно кодовых векторов путем поиска по методу полного перебора эталонов кодовой книги. Если искажения от квантования таковы, что коэффициент корреляции для исходного и восстановленного информационного сигнала г 0,75, то входной вектор ДМ-речевого сигнала дополнялся в кодовую книгу в качестве нового кодового вектора.

Экспериментальным путем установлено, что после достиаения кодовой книгой определенного объема, ее увеличение за счет добавления новых кодовых векторов практически прекращается. Зто свидетельствует о том, что набран оптимальный объем кодовой книги. Для различной размерности исходной выборки Н, эти оптимальные значения составляли: -2000 эталонов СН=1 б)»— 4000 (Н= 32), ~ 8000 (N=64) и -16000 (N=128).

Алгоритм поиска эталона в кодовой книге состоит из следув-щих операций:

- вначале производится сравнение исходного вектора с векторами кодовой книги, для каядого из них определяется число несовпадающих бит ;

- отбирается группа векторов (порядка 20) с наименьшими значениями ЭС^ ;

* для кавдого вектора из отобранной группы вычисляется коэффициент взаимной корреляции с исходным вектором, В качестве эталона выбирается вектор кодовой книги с наибольвим значением коэффициента корреляции.

Обеспечить реализации рассмотренного алгоритма в реальном' масвтабе времени можно путем комбинированного аппаратно-программного управления работой устройства сжатия: процедуры сравнения всг.г-'рзв (накопления массива эбк ), а также вычисления коэф$1ШК>-:-тоб взаимной корреляции выполняются аппаратными сред-

ствами, остальные - программными, на однокристальных кикроЭВМ.

Для обработки цифровой речевой информации, представленной в форме ЙКЙ-сигнала, близким к оптимальному в смысле Ка-рцнена-Лоэва является ортогональный базис Фурье.

Ид первом этапе разработки алгоритма снатия ИКМ -речевого сигнала выполнен статистический анализ полученных спектров с цельв выделения спектральных коэффициентов (или- частотных диапазонов) с наиболызими средники значениями энергии и средкваи квадрати-ческиыи отклонениями, которые в соответствии с дисперсионно критерий мопно считать наиболее к«-фориатшш*».

Обобцаэдасео зазискность по результата» обработки произвольных отрезков Ш'й-речевого сйгк-злй пржедекз на рис.С- (а - сцонка кате-каткчаек-иго ; Ь -

средкзквздратйчвскоэ отклонение).

Анализ полученных результатов показал, что наиболее информативными характеристиками обладает спектральные коэффициенты, ссотьатствущие частотному дкло-ону примерно от 300

Рис. 6. Результаты обработки спе трограмм отрезков речево сигнала а ± 6 - <р (f)

Рпс. 7. ГисгограАаа распределен! ТГ ~ \{/ (с)

до 1000 Гц (т.е. порядка 12 коэффициентов). Этот диапазон здесь назван низкочастотным. Под высокочастотным диапазоном в данном случае принимается полоса частот от 1 до 3 кГц. Дальнейшее рассмотрение спектров Фурье позволило сделать выводы, что по характеру концентрации энергии в спектрах их можно разделить на 3 основные группы. Первую группу составляют спектры, у которых почти вся энергия сосредоточена на низких частотах, а значения спектральных коэффициентов в высокочастотной области не существенна. Вторую - спектры, в которых нельзя пренебречь спектральными коэффициентами ни в НЧ- , ни в ВЧ-диапазонах. Спектры третьей группы отличаются большой энергией в ВЧ-области.

В качестве критерия разделения спектров на группы использовалось отношение

С=Евч/Енч, где переменные Евч и Енч определялись по выражениям:

•>7

" £ о

2

нч v

49 2

Евч15 £ а?

БЧ £гв 1

Обобщающая гистограмма распределений 1Г для различных жачений С приведена на рис.7.

Проведенные исследования подтвердили возможность использо-1ания показателя С для классификации спектров Фурье, а также шззолили зыбрать численные значения порогов отбора ргк1,рг2,рг3. раф-схема алгоритма сжатия ИКН-речевого сигнала приведена на 1ис.8.

Па основании теоретических исследований проблемы снижения :збыточности информации в системах управления и связи разрабо-аны управляющие алгоритмы сжатия ИКМ- и ДМ-речевых сигналов, [роведенные артикуляционные испытания подтвердили эффективность ¡редлояенных алгоритмов, достигнуты значения скорости передачи канале связи:'

- 2,3...2,5 кбит/с для ЙДН-речевого сигнала (при исходной корости = 16 кбит/с);

- 4,6...4,8 кбит/с для ИКМ-речевого сигнала (при исходной корости I? = 192 кбит/с).

PVPV Стр06 FTi pt,.N

в boa ni

ev H4

CíP2 AJ ÍA

>•>10.

A.) ÍA'«00„

ÍA"=(K, ( A,

» v

bf/f ( \

Компрессия

Ю

Восстлнсвл. CK9

ОБПТ Вывод NÎ'

Экспинли-

РОВАНИЕ

Рис.8, Гра$-схеиа алгоритма сжатия ИКМ-речевого сигнала.

5. Исследование и разработка устройств транскодирования цифровой речевой информации.

Функциональное назначение устройства транскодирования УТТИ),входящего в состав КТПС подвижных объектов,заключается в :ледующеы: обеспечивать совместную работу систем связи, исполь->ущих различные методы цифровой модуляции (ИКМ, ДИКМ, ДМ и (р.); расширять функциональные возможности подвижных объектов :вази путем адаптации работы радиосредств к реальным условиям ¡аналов связи; обеспечивать взаимодействие существующих анало-■овых и новых цифровых систем; обеспечивать связь подвижных |бъектов ведомственного назначения с гражданскими сетями связи.

Определив функциональное назначение УТТИ, проведя анализ 1звестннх решений по данному направлению и рассмотрев возможные (льтернативные варианты, нами предлагается следующий обобщений юдход к разработке структуры и архитектуры УТТИ.

Устройство транскодирования и трансмультиплексирования редставляет собой подсист^у управления (см.рис.9) , в состав бъекта управления которой входят два.блока (локальные объекты правления): •

- первый, реализующий функции собственно преобразования ифровых сигналов (транскодирование);

- второй - обеспечивающий требуемое изменение (согласована ) скорости передачи цифрового речевого сигнала для разлиных бонентов (трансмультиплексирование).

Функции управляющего объекта, организующего согласованное заикодействие локальных.объектов с другими• модулями цифровой, бработки, возлагаются на однокристальную микроЗВМ.Принцип уп-авления - автоматическое или автоматизированное.

Построение локальных объектов управления по своей конфигу-ацйи повторяет структуру модуля УТТИ: управляющая однокрис-альна.я аикроЭВМ, программно-аппаратные объекты управления. На-альные уставки задают исходный алгоритм работы устройства, оторай затеи • монет изменяться в автоматическом режиме по ко-андаы БУВК.

Операций по взаимному транслированию речевых сигналов с . азличныни законами- цифровой 'модуляции предлагается выполнять, спользуя в качестве внутреннего промежуточного формата много-ззряднур динэйнун ИКМ (рис, 10).

Подс-най подход позволяет минимизировать количество "пря-

ППРА УСИИ,

атии.

с

V

Команды ВУВК, сигналы ЛСЕВ

Начальные вставки

ыттн

уо

а

ш

3 5

0 I-£

1 35 о

ОИ -п

Блок

транскадирошия

Блок транснзльтн-паексирования

Г ~"иЭЕл'

^ синкрониалщш ц

АЕО.Ч£НТЫ

пос

1 „^

Рис.9. Обобщенная структура УТТИ.

Однокристальная никро ЭВМ

ЗПИ!

Программно - кг.плр&тииг

средства о5ра50тйц

14КМ,

АМ,

дикм

ТРАНСПОНИРОВАНИЕ

1^

НКМ/,

Трлнсксди-

РОйЛНИЕ

тУм

АМ, АШ

\

Рис.10. Функциспльная струнтуро блока троиско/ирооания.

аых" транскодеров, унифицировать внутримодульный формат представления цифровых сигналов, обеспечивает гибкость структуры при переходе на различные виды модуляции. Формирование линейного ИКМ-сигнала упрощает организацию внутриобъектовой конференцсвя-зи, оптимизирует узлы стыка через цифровой коммутатор с другими модулями ПОС, в частности, при работе с аппаратурой, реализующей методы вокодерной обработки речевого сигнала.

Представляется целесообразным рассматривать архитектуру устройства, сочетающую аппаратные и программные средства реализации, т.е. - определенную группу преобразований выполнять по весткин "табличным" алгоритмам, хранящимся в ПЗУ (например,простой вариант транскодирования ИКМ^ = ИКМА(?^с использованием табличных переходов, записанных в элементах памяти), а слоаные и громоздкие вычислительные и логические операции транскодирования решать путем программной обработки.

Основываясь на приведенных рассуждениях, в состав программно-аппаратных .средств обработки объекта управления (см.рис. 9,10) предлагается включить три группы транскодеров цифровых речевых сигналов.

1. Аппаратно-управляемые транскодеры для тракта:

ЛДМ — ИКИл — /1ДИ с реализацией на весткой логике либо заказных БИС.

2. Аппаратно-управляемые транскодеры для тракта:

ИКМ — Ш„ г— ИКМ. с реализацией на элементах памяти.

3... Программно-управляемые транскодеры для тракта:

АДИ — ИКИЛ— АДМ с реализацией на однокристальных микроЭВМ.

В разделе рассматривается функциональная структура аппа-ратно-управляемого транскбдера для тр-.;та ЛДМ~'ИКИЛ .приведены аналитические зависимости, подтверждающие обоснованность принятых схемотехнических решений'. Проведенные испытания показали, что разработанный транскодер, отличаясь схемной • простотой, обеспечивает низкие значения коэффициента гармоник ( кг =3.7% для =32 кбит/с и 27. для Ял =64 кбит/с), полоса частот выходного сигнала соответс .зует каналу ТЧ.

Транскодер цифровых речевых сигналов для тракта АДМ предлагается рассматривать как локальпю автоматическую нелинейную систему, реализующую программный принцип управления. Функционирующую в резиме обратного управления. Управляющим объ-

ектом является контроллер на однокристальной микроЭВМ, объект управления - цепи компаидирования, управляющие координаты -уровни напряжения (коды) на выходах программных эквивалентов слогового фильтра и интегратора. Управляющее воздействие - задание вага квантования, значения которого формируются контроллером путем анализа выходной (входной) информационной последовательности (дельта-потока) с помочью измерительного элемента, функции которого выполняет программный регистр сдвига заданной разрядности (длины окна просмотра). Целью управления является поддержание режима работы транскодера на границе перегрузки, что обеспечивает оптимизацию его объективных и субъективных параметров и характеристик.

Управляющие алгоритмы транскодирования разработаны на основе детального анализа работы цепей компаидирования аналоговых дельта-кодеков, получивиих наибольшее распространение :"ДК-2" и " Фарисей " .

Граф-схема алгоритма транскодирования для тракта ИКМД= АДЕ приведена на рис.11. Оператора алгоритма можно условно разделить на три блока: определение текущего режима; определение условий для изменения режима; операторы перехода с режима на режим. При атом часть операторов является общей для различных кодеков из класса дельта-кодеков с инерционным компандировани-ец, а другие - сменными, операции в которых задаются для конкретных речепреобразующих устройств тракта.

Особенностью разработанных алгоритмов транскодирования является использование изменяемого значения коэффициента к^ определяющего соотношение вагов приращения кода (напряжения) слогового фильтра в режимах перегрузки ВР и слежения HS:

' - - HP/HS . •

Теоретические и экспериментальные исследования показали," что введений в управляющий алгоритм'транскодирования kh-vcrr, изменяющихся для различных участков динамического диапазона, позволяет с большей точностью аппроксимировать кривую изменения напряжения слогово!а фильтра аналоговых дельта-кодеков, что обеспечивает наиболее приемлемое качество восстановленного речевого сигнала, оцениваемое как по объективным критериям (SHR),. так и по результатам артикуляционных испытаний (натуральность речи, слоговая и словесная разборчивость).

Рассмотренные алгоритмы транскодирования выполняются од-

n1' ж»!»««

АГ) («»'»«»йаяа.

Рис.11. Гра}-схена алгоритма транскодирования для тракта 1Шл = ДД11.

ноплатным контроллером на однокристальной микроЭВМ типа TMS 32010. Использование в качестве элементной базы ОМЗВМ позволяет реализовать на них не только собственно транскодеры, но также входные и выходные адаптивные фильтры.

Таким образом, в выполненных исследованиях получила дальнейшее развитие теория создания транскодеров цифровых речевых сигналов, использование которых расширяет функциональные возможности подвижных объектов производственного и специального назначения, позволяет автоматизировать процессы управления работой КТПС.

Разработанная аппаратура обеспечивает защищенность не хуке 22 дБ в динамическом диапазоне 30 дБ, сохраняя основные параметры при работе в каналах связи с коэффициентом ошибок порядка lQ-\..lQ-\

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано теоретическое обобщение и предложены пути решения сложной научно-технической проблемы, имеющей вааное значение для развития автоматизированных систем управления технологическими процессами, заключавшееся в развитии теории цифровой обработки информации и разработке на ее основе програмно-управляемых средств для .юдвижных объектов ведомственных систем производственной радиосвязи.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Выполнен анализ состояния и тенденций развития средств н систем связи с подвижными объектами, отличительных особенностей производственной связи как составной части АСУ и АСУ ТП и определены требования, позволившие обосновать структуру многофункционального комплекса технических и программных средств, инвариантного к классам задач, решаемых ведомственными системами производственной связи.

2. Исследованы теоретические вопросы построения систем синхронизации средств цифровой обработки информации АСУ ТП. Предложена классификация методоЕ и средств синхронизации цифровых систем, позволившая определить перспективные направления исследований. Рассмотрены варианты построения систем синхронизации аппаратуры радиосвязи.

Выполнены исследования систем ФАПЧ: неадаптивннх и с

адаптивными фильтрами нияних частот. Использование результатов исследований позволит минимизировать время вхождения в синхронизм и обеспечит повышение надежности поддержания синхронизма аппаратур!! подвиеных объектов ведомственных систем производственной радиосвязи.

3, Выполнен анализ теоретико-информационных и вычислительных свойств методов технического маскирования информации. Обоснована функциональная и алгоритмическая структура устройства, обеспечивающего защиту цифровой инфорнации, передаваемой по каналам связи, от несанкционированного доступа.

Разработаны и обоснованы управляющие алгоритмы средств синхронизации УТКИ. Получены зависимости, определяющие структуру и размерности синхронизирующих последовательностей, обеспе-чнвапщих надеянуя работу устройства в различных ревимах.

Исследованы вопросы проектирования программно-управляемых устройств технического маскирования, разработаны программное обеспечение и схемы УТМИ на основе однокристальных микроЗВМ типа THS 320, а такяе вариант реализации устройства на зесткой логике,

4. Получила дальнейзее развитие теория снияения избыточности (сзатия) цифровых речевых сигналов:исследованы теоретические проблемы сзатия информации в системах управления и связи; выполнены классификация и аналитический обзор методов и средств сяатия, позволившие определить перспективные направления исследований.

Исследованы методы сзатия дельта-модулированных речевых сигналов. Разработаны и исследованы управляющие алгоритмы: с использованием ортогонального преобразования Уолпа и методов векторного квантования в пространстве спектральных коэффициентов Уолга; осноганные на векторном квантовании в пространстве исходных отрезков ЙДМ - речезого сигнала.

Выполнены исследования, позволившие определить эффективные алгоритмы формирования кодовой книги и быстрого поиска эталонов.

Исследованы методы сяатия нмпульсно-кодово-модулированных сигналов. Предяпяен управляющий алгоритм сзатия, основанный на-использовании ортогонального преобразования Оурье с последующим октавным анализом и компрессией векторов спектральных коэффициентов <Г1ЛЪВ.

Про;зденные испытания подтвердили эффективность предловен-

них решений проблемы сжатия цифровой речевой информации. Лос-тигнутые значения скорости передачи в канале связи соответствуют требованиям к аппаратуре сжатия: 2,4 кбит/с для АДМ-речевого сигнала (при = 16 кбит/с); 4;В кбит/с для ИКМ-речевого

сигнала (при Н1 = 192 кбит/с).

Применение устройства сжатия цифровой, речевой информации расширяет возможности информационного обеспечения АСЫ ТП за счет более эффективного использования спектра частот, выделяемого для систем производственной радиосвязи.

5. Получила дальнейшее развитие теория создания транскодеров цифровых речевых сигналов. Предложена обобщенная функциональная структура УТТИ.

Обоснован метод," разработан аппаратно-управляемый транскодер для тракта ЛДМ = ИКМД .Получены аналитические зависимости для расчета параметров алгоритмов транскодирования, выполнены теоретические и экспериментальные исследования транскодеров для различных технологических режимов обработки информационного сигнала.

Разработаны упраляющие алгоритмы и программно-управляемые транскодеры для тракта АДН ИКМ с контроллером на однокристальных микроЗВМ типа ТИБ 320.

Аппаратура сохраняет основные параметры при работе в каналах связи с коэффициентом ошибок порядка 10"4- ...10" .

Применение разработанного устройства транскодирования на подвижных объектах производственного назначения расширяет функциональные возможности АСУ ТП поскольку обеспечивает¡радиосвязь группе абонентов, выполняющих обцую производственную задачу, эксплуатирующих аппаратуру с различными законами цифровой модуляции; выход абонентов подвижных объектог АСУ ТП на магистральные сети городских и междугородных АТС; совместную работу абонентов, эксплуатирующих' аппаратуру с аналоговой формой, представления речевых сигналов и цифровых радиосредств нового поколения в наиболее сложный и достаточно продолжительный переходный период.

Выполненные исследования основаны на комплексной концепции повышения эффективности ' информационного обеспечения АСУ ТП и ведомственных систем связи с позиции системного единства цифровых методов обработки информации, микроэлектронной технологии и эксплуатационно-технических условий развития .систем производственной радиосвязи и специальных средств связи.

По материалам диссертации опубликовано 43 научные работы, в тем числе получено Э авторских свидетельств на изобретения.

Основное содерзание работы отражено в следующих публикациях автора:

1. Кузнецов Г.В. Проблемы управления в системах связи подвязных объектов // Системно-технические вопросы построения систем связи с подвижники объектами: Респ.сб.научн.трудов. - К.: КВВИУС, 1391. - Н 1. - С. 161...168.

2. Кузнецов Г.В. Модули цифровой обработки сигналов комплекса средств связи и управления // Системно-технические вопросы построения систем связи с подвижными объектами: Респ. сб. научн.трудов. - К.: КВЗЙУС, 1331. - Я 2.- 4.1. - С. 109...111.

3. Кузнецов Г.В. и др. Автоматизированная подсистема опе-ратквно-диспетчерского управления экскаваторно-автомобилъным кзпплзксои карьера / Г.В.Кузнецов, В.И.Зуковицкий, В,Б.Вишня, й.ДЛнзков // Горная электромеханика и автоматика : Респ.меж-вед. научи.- техн. сб. - 1°83. - Вып. 42.- С. 51...56.

4. Ильвтейн Г.Я. Еуравлев В.Н., Кузнецов Г.В. и др. Авто-иати^фзпзнная информационно-измерительная система карьера // Строительные материала. - 1Э74. - Н 11. - С. 13, 14.

5. Кузнецов Г.В., "Вивня В.Б., Вмаков-В.Д. Исследование вопросов управления технологическим автотранспортом на нерудных карьерах // Горная электромеханика и автоматика: Респ.межвед. 'зучн.-техн. сб. - IS83. - Вып. 43. - С.. 57...63.

0. Кузнецов Г.В., Войцех С.И. Расяирение функциональных гогкозностей речепреобразупщих терминалов подвижных объектов :зягк // Тез.докл. 17 Всэсогззн.военно-научн.конф.- К: КВВИУС. -¡590. - С. 77.

7.. Кузнецов'..Г.В. и др. Исследование качества структуры ав1-•о^атнз'лроззнной подсистемы управления зкекаваторно-автомобиль-!ыа ксяплеисом к?рьсра / Г.В.Кузнецов, В.И.8уковицкий, В.Б.Вив-1я, В-. Очаков // Горная- электромеханика и автоматика: '«сп.неяззд. научи.-техи. сб. - 1932. - Вып.41. - С. 59...64.

С. ЕукозникиЯ D.H., Новицкий В.Н., Зуравлев В.Н., Кузнецов .В. Комплекс электронной аппартирн для автоматической передачи сазра затослаосвала на контрольный пункт // Реферативная ин-' арнация о законченных НИР в вузах УССР (Угольная и горнорудная ромывлс:гностъ) - к.: 1975. - Вып.9. - С. 55,55.

8. .'¡ригцов Г.Б. Синхронизация комплекса технических и рограи^.: .:< средств подвижных объектов связи // Тез.докл. 18

йсесовзн.военно-научн.конф. - К,.: КВВИУС.- 1991. - С. 43.

10. Цуковицний В.И., Кузнецов Г.В. Микропроцессорные автомобильные весы // Промыиленннй транспорт.- 1981. - Н 5.- С. 15.

11. Нуковицкий В.И., Кузнецов Г.В. и др. Разработка перспективных устройств автоматического взвешивания большегрузных автосамосвалов применительно к АСУ ТП предприятий цветной металлургии // Состояние и перспективы автоматизации процессов на открытых и подземных рудниках цветной металлургии : Тез.докл. Всесовзн, научн.-техн. совещания. - М.: 1982. - С. 33,34.

12. Заверуйко Э.М., Кузнецов Г.В. Автоматизированная система ГРАНИТ // Промышленный транспорт. - 1978. - С. 14.

13. Еуковицкий В,И., Кузнецов Г.В. Метод цифровой обработки сигнала силоизмерительных датчиков в микропроцессорных автомобильных весах // Известия высших учебных заведений. Горный вурнал. - 1983. - N 1. - С. 116...119.

14. Еуковицкий В.И., Кузнецов Г.В. Перспективные методы обработки сигнала датчиков в микропроцессорных автомобильных весах // Приборы и системы управления. - 1983. -ЯЗ. - С. 21...23.

15. Еуковицкий В.И., Кузнецов Г.В., Козинов С.А. Повышение надежности работы устройств технического маскирования информации подвижных объектов связи // Тез.докл. 17 Всесоюзн. вбен-но-научн. конф. - К.: КВВИУС. - 1990. - С. 75.

16. Нуковицкий В.И., Кузнецов Г,В., Козинов С.А. Техническое маскирование речевого дельта-потока // Тез. докл. 18 Всесовзн.. военно-научн; конф. - К.: КВВИУС. - 1991. - С. 63.

17. Алексеев М.А., Кузнецов Г.В. Снижение избыточности дельта-ыодулированного речевого сигнала в цифровых системах связи // Тез.докл. 17 Всесовзн.военно-науч.:. конф.- К.: КВВИУС. - 1990. - С. 76.

18. Ламекин В.Ф., Журавлев В.Н., Кузнецов Г.В. Методика измерения АЧХ дельта-кодеков с инерционным компандированием.// Специальная техника средств связи. - 1988. - Вып.1, - С. 18... 22.

19. Алексеев 11.А., Кузнецов Г.В. Сжатие дельта-модулиро-ванных сигналов с использованием ортогонального преобразования Уолша // Цифровая обработка 'чгналов в системах связи и управления; Тез.докл. Межрегион, научн.-техн. конф, - Ы.:. Львов: 1992. - С. 33.

20. Ламекин В.Ф., Кузнецов Г.В.,Козинов С.А.,8уравлев В.Н.

ельта-коде на СБИС КМ 1813 BE 1 // Специальная техника редств связи. - 1988. -'Bun. 1. - С. 95... 102. ,

21. Кузнецов Г.В., Войцех С.И. Адаптивные транскодера ре-BBiix сигналов для систем подзизных объектов связи // Тез, с л, 18 Всесоазн. военно-научн. конф. - И.: КВВИУС,- 1991, -.56. ■

22. Ёуковицкий B.Ü., Кузнецов Г.В., Ламекин В.Ф., Нуравлеэ .Н. Преобразователь компанднрованных речевых сигналов // Сг.е-иальная техника средств связи. - 1988,- Bun, 2,- С. 21... 25.

23. Алексеев H.A., Кузнецов Г.В. Обработка дельта-кодули-ованных речевых сигналов функциями Уолва // -Проблемы обработки

передачи сигналов: Тез,докл. Всссовзн. научи,- техн. конф. -¡•.га: РТУ. 1991, - С, 5..,7.

24. Кузнецов Г.В., Войцех С.Н. Проблема создания цифровых ранскодеров .речевой информации для систем связи подвивных объятое // Цифровая обработка сигналов в системах связи и управ-екца: Тез. докл. Иеврегион, научн.-тзхн, конференции. - Ы.:, ьвов: 1992. - С. 54

25. A.c. 241504 СССР, НИИ КОЗЫ 7/32. Преобразователь командированного дельта-потока в иипульсно-кодово-модулированний ,1гпал / В.Н.ауковицкий, Г.В.Кузнецов, В.Н.Нцравлев и др. :ССР). - Н 3126800/24; Заявлено 13.10.05; Зарзгистр. в Гос. зестре изобретений СССР 01.08.88.

26. A.c. 241485 СССР, НИИ HÖ3M 7/32, Устройство для цифро-зго преобразования сигк лов с импульсно-кодовой нодуляцией в ¡гнали с двльта-нодуляцией / В.Н.Йуковицкий, Г.В.Кузнецов, .Н.Куравлев и др. (СССР). - it 3126675; Заявлено 30.10.35; За-згистр. в Гос. реестре изобретений СССР'01.08.86.

27. A.c. 260776 СССР, МНИ НОЗИ 13/00. Устройство для пре-зразования дельта-иодулировашшх с ;налов в. иыпульснс-кодо-з-ыодулированные сигналы / В.И.Вуковицкий, Г.З.Кузнецов, B.Ii, ^равлев и др. (СССР). - 11 3150016/24; Заявлено 04.0G.86; Заре- ' 1стр. в Гос. реестре изобротений СССР 01.09.87.

' 20. A.c. 262289 СССР МКИ Н03Ы 7/32. Устройство цифрового зеобразования дельта-модулированных сигналов с инерционным змпандированием в импульсно-кодово-модулированные сигналы / .И.Нуковицкий, В.Н.Куравлев, Г.В.Кузнецов и др. (СССР). -3147169/24; Заявлено 09.07.8Р: Зарегистр. в Гос. реестре ¡обретений СССР 01.i0.87.

29. A.c. 265217 СССР, МКИ H03U 3/32. Устройство для цифро-

вого преобразования сигналов с импульсно-кодовой модуляцией сигналы с дельта-модуляцией / В.Н.Еуравлев, В.Оуковицки* Г.В.Кузнецов и др. (СССР). - N 3110538/3110539.-24; Заявле! 19.03.85; Зарегистр. в Гос. реестре'изобретений СССР 02.11.8/

30. й.с. 273939 СССР. НКИ НОЗН 7/32. Устройство цифровог преобразования импульсно-кодовой модуляции в дельта-ыодулирг ванные сигналы / В.И.Еуковицкий, В.Н.Вуравлев, Г.В.Кузнещ (СССР). - 3163550; Заявлено 03.05.86; Зарегистр. 'в Гос. реест! изобретений СССР 18.02.8?.

31. А.с. 282207 СССР, МКИ НОЗМ 7/32. Цифровой преобразов; тель импульсно-кодово-модулированных в дельта-нодулированш сигналы / В.Н.Еуравлев, В.И.Еуковицкий, Г..В.Кузнецов (СССР). Н 3185490/24; Заявлено 04.11.8?; Зарегистр. в Гос. реест) изобретений СССР 01.09.88.

32. й.с. 288569 СССР, МКИ НОЗН 3/32. Преобразователь дел! та-модулированного сигнала в сигнал с инпульсно-кодовой модул: цией / В.И.Еуковицкий, В.Н.Еуравлев,Т.В.Кузнецов и др. (СССР - Н 3192864; Заявлено 01.03.88; Зарегистр. в Гос. реестре изо ретений СССР 01.02.89.

33. й.с. 325949 СССР, МКИ НОЗМ 13/00. Преобразовате, адаптивных дельта-модулированных сигналов в линейные дельта-м дулированные / Г.В.Кузнецов, В.И.Ву! 1вицкий, А.С.Козин (СССР). - Н 4523389/24; Заявлено 23.10.89;-Зарегистр';. в Го реестре изобретений СССР 05.05.91. ' " '"";'/■

В совместно написанных работах личный вклад автора состо в разработке методов исследований и. анализе результатов." С 7, 1 15,18,22), разработке управляющих алгоритмов м функциональн структур (3,5,11,12,16,20), анализе эффективности их функцион рования (4,6,8,19,24); разработке' математических моделей програ. лного обеспечения (10,14-, 17,21,23), а такие в разработ существенных признаков новых технических репенйй (25..;33).