автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка экспертной системы выбора кода для высокоскоростных ВОСП

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ имени адмирала С.О. МАКАРОВА

На правах рукопиои УДК 621.393

Замятин Андрей Георгиевич

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ВЫБОРА КОДА ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОСП

Специальность 05.12.17 Радиотехнические и телевизионные сиотемы и уотройотва

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на ооиокание ученой отепени кандидата технических наук

1 !

ТГТ

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова на кафедре "Теоретические основы радиотехники".

Научный руководитель : кандидат технических наук,

доцент М.Б.Солодовниченко

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор Ю.Е.Сидоров кандидат технических наук доцент 3.С.Кузин

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский

и проектно-конструкторский институт морского флота

Защита диссертации соотоится " 2К" 1998 г.

на заседании ученого совета К 101.02.04 Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова £ -{О (199026, г.Санкт-Петербург, Косая линия, 15-А). , 2чЬ

V V'

С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке Государственной морской академии.

Автореферат разослан " ^¿Д/^ГА^ 1996 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в адрео ученого совета Государственной морской академии : 199026, г.Санкт-Петербург, Косая линия 1Б-А.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

В.Н.Рябышкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Волоконно-оптические системы передачи (В0СГ1) являются в настоящее время одними иа наиболее перспективных и быстрорззвпвзгсщихся средств связи на-за больших скоростей передачи данных, малых габаритов и массы , некритнчности к электромагнитным возмущениям, решаемости проблемы электромагнитной совместимости, отсутствия дефицитных материалов.

Наиболее бурно развиваются высокоскоростные локальные вычислительные сети (ЛВС), требующие скоростей передачи данных до 2 Гбит/с и выше. Такие ЛВС создаются на основе высокоскоростных ВОСП с одномодовым волокном, полупроводниковыми лазерами и p-i-ri фотодиодами на основе InGaAs структуры.

При создании ЛВС в волоконных линиях используют специальные избыточные коды, удовлетворяющие требованиям к этим системам. В соответствии со сложившейся терминологией такие коды называют линейными.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что в высокоскоростных ВОСП применяются различные линейные коды. Многообразие* используемых кодов (простейшие типа AMI, позиционные, блочные) свидетельствует о том, что проблема ЕЫбора линейного кода в настоящее время до конца не решена. Сложность задачи выбора кода состоит в том, что требования к линейным кодам разнообразны и противоречивы.

О незавершенности проблемы выбора линейного кода ВОСП свидетельствует отсутствие Рекомендаций МККТТ и отечественных ГОСТов, как это сделано, например, для кодов кабельных систем передачи данных.

Анализ литературы показывает, что систематическое исследование количественных характеристик линейных кодов отсутствует. В отдельных публикациях (Гроднев И.И., Бутусов М.М., ВерникС.Л., Галкин С.Л, Порохов О.Н., Котиков И.М., Kasai Н., Ohuo Т. и др.) приводится в основном качественный анализ кодов по отдельным параметрам, что затрудняет проведение количественного сопоставительного сравнения линейных кодов, а имеющиеся результаты носят разрозненный, а порой и противоречивый характер.

Из изложенного следует, что ряд вопросов, касающихся актуальной задачи сравнительного анализа и выборз линейного кода для высокоскоростных ВОСП, рассмотрены в литературе недостаточно

полно. Это и определило направление исследования, заключающееся в разработке экспортной системы выбора линейного кода для ВОСП о учетом всей совокупности разнообразных требований, предъявляемых к ним.

Состояние вопроса. Большой объем передаваемой информации, необходимость обработки данных в режиме реального времени привели к построению и интенсивному развитию высокоскоростных локальных вычислительных сетей. Для обеспечения скорости обмена информацией в таких сетях до 2 Гбит/с и выше в качестве среды распространения используют оптический кабель, а созданные на его основе ЛВС принято называть оптическими (ОЛВС).

МККТТ ухе принял отдельные протоколы ОЛВС, например FDDI, интенсивно разрабатываются другие протоколы. Однако, в документах МККТТ нет конкретных Рекомендации по типам используемых кодов в таких сетях, в связи о чем в ОЛВС применяют различные линейные коды.

Несмотря на важность проблемы выбора кода для высокоскоростных ВОСП в отечественной и зарубежной литературе отсутствует анализ всей совокупности частных показателей качества кодов для таких систем. В ряде работ авторы выбирают код, основываясь на анализе 1-2 показателей качества без учета остальных характеристик кодов. Как правило, авторы производят качественное сравнение отдельных характеристик кодов, что затрудняет сопоставительный анализ кодов между собой. Игнорирование всей совокупности частных показателей качества кодов может привести к неэффективному функционированию системы в целом. Кроме того, среди рассматриваемых частных показателей качества кодов отсутствуют такие важные для высокоскоростных ВОСП характеристики, как вадержка распространения сигнала в кодеке и неточнооть синхронизации из-за колебаний фронтов синхроимпульсов.

Исходя из изложенного следует, что задача выбора кода для высокоскоростных ВОСП полностью не решена.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в разработке экспертной системы ьыСора линейного кода для высокоскоростных B0CI1. В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационной работы являются:

•1. Определение совокупности частных показателей качества

кодов, учитывающих основные особенности функционирования высокоскоростных ВОСЛ.

2. Определение количественных характеристик выбранных частных показателей качества для линейных кодов.

3. Формирование обобщенных критериев эффективности использования линейных кодов ВОСП и разработка методики выбора кода для ВОСП.

4. Разработка алгоритмов и программ для создания экспертной системы для сопоставительного анализа различных кодов ВОСП на базе ПЭВМ.

5. Выбор кода для высокоскоростных ОЛВС на базе разработанной методику.

Методы исследования. Для достижения цели исследования в диссертационной работе использованы методика векторной многоцелевой структурной и параметрической оптимизации о применением безусловного и условного критериев предпочтения, теории принятия решений, теории цифровых автоматов, разделов теории вероятности и математической статистики, методы имитационного моделирования на ПЭВМ, методы спектрального анализа.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.

1. Сформирована и обоснована задача выбора линейного кода для высокоскоростной ВОСП как многокритериальная задача. Определен перечень основных показателей качества линейных кодов для высокоскоростных ВОСП.

2. Разработаны методы расчета количественных характеристик частных показателей качества линейных кодов высокоскоростных ВОСП. В частности предлагаются методы для:

- расчета энергетического спектра сигналов линейных кодов на основе вычисления корреляционной функции кода. Разработанный алгоритм вычисления корреляционной функции применим как для двоичных , так и для многоосн^вных кодов.и требует меньшего объема вычислений по сравнению с классическим алгоритмом расчета корреляционной функции;

- оценки задержки распространения сигналов в кодеке для различных кодов ВОСП; '

- оценки помехоустойчивости линейных кодов ВОСП при исполь-

3

еовании различных способов выявления ошибок;

- оценки влияния неидеальности синхронизации на потери помехоустойчивости приема.

3. Разработана методика выбора линейного кода для высокоскоростных ВОСП на основе решения многокритериальной задачи с использованием различных критериев эффективности.

4. Разработаны алгоритм и программа для создания экспертной системы для сопоставительного анализа различных кодов ВОСП на базе ПЭВМ.

Практическая ценность. В диссертационной работе разработана инженерные методы расчета частных показателей качества кодов ВОСП:

- энергетического спектра;

- характеристик кодека (задержка распространения сигнала в кодеке);

- помехоустойчивости.

Разработанная экспертная систем на базе ПЭВМ позволяет оперативно проводить выбор кода для высокоскоростных ВОСП.

Предложенная методика сопоставительного анализа кодов для высокоскоростных ВОСП позволяет сократить обьем вычислительных процедур, требуемых при выборе кода.

Обосновано использование для высокоскоростных ОЛВС линейного кода 4В5В.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика выбора кода для высокоскоростных ВОСП, основанная на решении многокритериальной задачи.

2. Универсальный метод расчета энергетического спектра кодов ВОСП, позволяющая сократить объем вычислений.

3. Метод определения задержки времени распространения сигнала в кодеке кодов ВОСП.

4. Метод расчета помехоустойчивости кодов высокоскоростных ВОСП. Для обнаружения ошибок в высокоскоростных ВОСП целесообразно использовать контроль по диспаритетности принятых кодовых комбинаций.

В. Метод оценки влияния параметров синхронизации на помехоустойчивость приема.

•в. Для ОЛВС, функционирующей со скоростью до 2 Гбит/с, це~

лесообразно применять блочный код 4В5В.

Внедрение результатов работы. Проведенные исследования яв ляются частью НИР, ведущейся на кафедре "Теоретические основы радиотехники", ее результаты использованы в отчетах НИР. Полученные автором результаты внедрены в ОКР, проводимых. Институтом технической кибернетики АН Беларуси, о чем имеются соответствую щпе акты.

Материалы диссертационной работы использованы в учебном по собии "Волоконно-оптические системы передачи".

Апробадия работы. Основные результаты диссертационной рабо ты были доложены и получили одобрение на 16 международной конференции (секции радиосвязи и радионавигации), г.Санкт-Петербург (19Э2г.); на 17 научно-технической конференции (секции радиосвязи и радионавигации), г.Санкт-Петербург (1994 г.) и на науч но-технических конференциях профессорско-преподавательского сос тава ГМА им. адм. С.О.Макарова (1992 - 1995 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 научных публикациях, 2 отчетах НИР и учебном пособии.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит страниц машинописного текста, рисунков и таблиц, в списке литературы работ, общий обьем страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой те мы и решаемых в диссертации вопросов, определяется цель и направления исследований. Отмечается, что решению задач, непосредственно связанных с созданием ' ВОСП, посвящены работы отечественных и зарубежных ученых Ю.В. Гуляева, И.И.Гроднева, Е.А. Эаркевича, Н. Kasal, Т. Ohus, и других.

Однако, несмотря на детальное исследование отдельных характеристик ВОСП вопросы обоснованного выбора линейных кодов в высокоскоростных ВОСП освещены недостаточно полно.

Первый раздел посвящен анализу кодов, применяемых в существующих н перспективных ВОСП. Использование оптического волокна в качестве среды распространения накладывает определенные требования и ограничения на параметры сигнала в линии связи. Эти требования определены в работах отечественных и зарубежных ученых И.И. Гроднева, Б.В. Скворцова, И.М. Котнкова, П.А. Еарабаш, H.H. Кулевой, М.М. Бутусова, С.М. Верника, Н. Kasai, Т. Ohus, Q.S. Poo и других.

Обычно исходный сигнал (от ПЭВМ и других датчиков информации) предотавляет собой безиэбыточный двоичный код. Однако, при использовании его в оптической линии связи исключается возможность контроля за качеством работы приемных модулей без прерывания связи (поскольку любые комбинации кода являются разрешенными), в спектре сигнала не обеспечивается достаточный уровень составляющей на тактовой частоте (необходимая для устойчивой работы схемы синхронизации), возможно группирование элементарных сигналов одного уровня, что приводит к значительному содержанию в спектре низкочастотных компонент (что затрудняет обработку сигналов в приемном модуле и автоподстройку режима работы передающего модуля).

Для устранения указанных недостатков в ВОСП осуществляется перекодировка исходного кода в избыточный код, который называют "линейным кодом" или "кодом в линии".

Линейный код выбирают о учетом требований, вытекающих из особенностей функционирования ВОСП. Для систем, которые используют полупроводниковые лазеры в качестве источника излучения применяют, как правило, дво;г-«;;и5 коды. Несмотря на известные достоинства многоосновиых кодов (правде всего, уменьшение тактовой частоты линейного сигнала), двухуровневые коды обладают рядом преимуществ, определяющих их использование в высокоскоростных ВОСП.

В диссертационной работе проанализированы коды, применяемые в отечественных и зарубежных ВОСП. Многообразие используемых кодов (от простейших типа Ai.ll до блочных и позиционных кодой) показывает, что задача выбора кода для таких систем до конца не решена. Этот вывод также подтверждается отсутствием Рекомендаций МККТТ и отечественных ГОСТов на на класс линейных кодов для применения в высокоскоростных ВОСП.

• Анализ литературы показал, что для высокоскоростных ВОСП

неэффективно применять AMI коды и позиционные коды, а из блочных кодов' наиболее перспективными являются коды типа mBnB (двухалфа-витные и одноалфавитные).

Поэтому для выбора кода высокоскоростной БОСП ограничимся анализом блочных кодов типа гпВпВ. Блочные коды типа mBnB формируются по следующему правилу: исходной кодовой комбинации длиной m элементов ставится в соответствие по определенному правилу кодовая комбинации длиной п элементов. При декодировании происходит обратное преобразование.

Известные из литературных источников рекомендации по выбору кодов для B0CI1 носят разрозненный, а порой противоречивый характер. Например, ряд авторов рекомендуют для высокоскоростных ВОСП код 5В6В как имеющий наиболее узкий спектр, в других работах предпочтение отдается коду ЗВ4В, имеющему наиболее простую техническую реализацию кодека. В ряде работ утверждается, что код типа 1В2В имеет наиболее простую техническую реализацию кодека, но обладает низкой обнаруживающей способностью и большой избыточностью. В отдельных публикациях отмечаются преимущества кода 7В8В, имеющего лучшие показатели по уровню низкочастотной составляющей, хотя код 6В8В, будучи балансным, по определению имеет нулевую постоянную составляющую.

Таким образом, состояние вопроса по выбору линейного кода высокоскоростных ВОСП можно охарактеризовать как наличие отдельных результатов, определяющих некоторые частные характеристики гадов, причем известные результаты носят в основном качественный, разрозненный и даже противоречивый характер, что делает невозможным сопоставительный анализ и обоснованный выбор кодоз для высокоскоростных ВОСП.

Отмеченные особенности рассматриваемой задачи определяют целесообразность использования для ее решения теории принятия решений при многих критериях. В соответствии о разработанными методами решения многокритериальных задач число частных критериев - показателей качества (ПК) следует выбирать равным Б...8. Уменьшение числа ПК может привести ' к неоднозначности выбора, увеличение - к включению в рассмотрение второстепенных ПК.

На основании анализа особенностей функционирования ВОСП различного назначения в диссертационной работе выбраны следующие ПК линейных кодов:

- значение составляющей спектра на тактовой частоте (опре-

7

деляющее надежность работы схемы синхронизации);

- ширина спектра (определяющая диапазон рабочего участка модуляционной характеристики передающего модуля);

- задержка распространения сигнала в кодеке (определяющая предельную скорость передачи информации);

- избыточность кода (определяющая потери пропускной способности оптической линии);

- обнаруживающая способность кода (определяющая помехоустойчивость кода);

- потерн помехоустойчивости из-за неидеальности синхронизации.

Решение многокритериальной задачи осложняется отсутствием в литературе количественных характеристик отдельных ПК (задержки распространения сигнала в кодеке, потерь помехоустойчивости из-за неидеальности синхронизации), либо недостаточным исследованием отдельных характеристик (обнаруживающая способность оценивается лишь по )юнтролю текущей цифровой суммы, формулы раоче-та энергетического спектра применимы только к отдельным типам кодов).

Для решения задачи выбора кода для высокоскоростных ВОСП необходимо разработать алгоритмы количественной оценки выбранных частных показателей качества, а также разработать методику выбора кода как решение многокритериальной задачи принятия решения.

Актуальным является разработка программного обеспечения для ПЭВМ, реализующего алгоритмы количественной оценки частных показателей качества, и общей методики выбора линейного кода, среди разнообразных кодов ВОСП для создания экспертной системы.

Второй раздел посвящен исследованию частных показателей к чаотва линейных кодов, определенных в разделе 1. В соответствие о выбранным набором показателей получены следующие результаты.

Вычисление энергетического спектра.

В отечественных и зарубежных источниках существуют отдельные формулы для аналитического расчета энергетического спектра кодов ВОСП. Однако, известные алгоршми носит разрозненный характер, применимы только к конкретным кодам и не позволяют распространить результаты на общий случай.

'В раЛоче нн>-ргепинским гиипр р1' ши.'и-чгл по |{мрмуле

Винера-Хинчина о использованием корреляционной функции:

1 1-4

где 0(4)- энергетический спектр элементарного сигнала;

12 (¿) - корреляционная функция исследуемого кода;

- безразмерный множитель, изменяющийся от О до 1;

Т - тактовый интервал.

Известные методы определения корреляционной функции харак теризуются громоздкостью вычислений. Например, для определения значений корреляционной функции кода МБ-43 требуется составить 6 таблиц, насчитывающих более 300 значений. Процедура вычислений этих значений корреляционной функции индивидуальна для каждого кода, обьем вычислений резко возрастает с ростом длины кодовой комбинации.

В диссертационной работе предложен простой алгоритм анали тического расчета корреляционной функции для любого блочного ко да с использованием аппарзта дискретных марковских ц°пей, учитн вагащпй структуру исследуемого кода.

Алгоритм вычисления корреляционной функции 1?(Ю ряппадяртоп на 4 этапа.

1. К=0 и

-■¿-¿КС2/!, и £

Ц(к)= КЫ + к)

£ выбирается так, чтобы и^К^-сЬ

где Л/ - число кодовых комбинаций кода; - длина кодовой комбинации кода;

(Хь,1 - £-тый символ -той кодовой комбинации.

0 - суммирование по модулю

Представленный метод расчета корреляционной функции выгодно отличается унивррсалмюотмп, ппоратипностыл и проптотпй прог-

5

раммиой реализации. Показано, что предложенный алгоритм справедлив и для троичных кодов.

Для проверки справедливости предложенного алгоритма в дио-оертационной работе проведен расчет корреляционной функции методой имитационного моделирования на ПЭВМ. Моделирование имитационной последовательности осуществлялось о помощью датчика N случайных чисел о вероятностью появления Р - 1/Н. Каждому случайному чиолу ооответотвует кодовая комбинация кода. Корреляционная функция определяется по формуле

где - объем выборки.

Расхождение значений корреляционной функции не превысило б - 7 7. , что обусловливается ограниченным объемом выборки при моделировании на ПЭВМ.

В таблице 1 представлены значения энергетического спектра на тактовой частоте (Б(Гт)), рассчитанного по формуле Винера- Хинчина, и эквивалентная полоса частот (д/од), которая вычисляется по формуле :

= /-£--—

IМ)

1

Таблица 1

I---------1-1-1-1—:—I--1-1-1-1

| 11 В2Вш 12ВЗВ1П | ЗВ4Вт 14В5В |5В6Вт|6В8В |?В8Вт|8В9Вт|8В10Вт|

I--1-\-1-1-1-1-1-1-1-1

|Б(Гт) |7.24 |0.83 Ц.25 |1.40 |1.2б |1.2б |1.141|1.160|1.103 |

^-----,--1-1-1-(-^-1-)-)-(

1л/в*а 10.62910.60910.54010.535|О.ББО|0.562|0.555|О.552|0.559 |

1______1___I__1_I_I_I_I____I_I__I

Символ "ш" показывает, что в данном коде применяется 2 алфавита.

Чаотние случаи расчета энергетического спектра линейных кодов совпадают о результата).«!, известными иа литературы, что подтверждает верность предложенного алгоритма.

В дальнейшьм при выборе кода пршшм.аймои как чаипше ПК аначениа ипектра на тшшшой ч.члоте (НПг)) п эквивалентная пи-

лоса частот, занимаемая энергетическим спектром () •

Оценка задержки распространения сигнала в кодеке. Очевидно, что величина задержки влияет на скорость передачи информации в линии. Анализ отечественных и зарубежных публикаций показал, чго в литературе отсутствует количественная оценка задержки распространения сигнала в кодеке кодов ВОСП, что делает невозможным их сравнение между собой.

В связи о этим в диссертационной работе предложена методика количественной оценки верхней границы задержки распространения сигнала в кодеке. Для решения поставленной задачи кодек рассматривается как совокупность логических элементов (ЛЭ). Суммарная задержка вычисляется относительно задержки распространения сигнала в одном логическом элементе (Ьз.лэ) как сумма ЛЭ* через которые последовательно проходит сигнал при операциях кодирования/декодирования. При расчете задержки учтены характеристики существующей элементной базы (в частнооти, коэффициент развлетв-ления по выходу применяемых ЛЭ) и параллельность процессов кодирования и процедуры смены алфавитов.

Результаты расчета задержки распространения сигнала в кодеке ( Бк ) относительно радержки в одном ЛЭ приведены в таблице 2.

Таблица 2

I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

| 11В2Вт12ВЗВт|ЗВ4Вгп14В5В |БВ6Вт|ВВ8В |7В8Вт|ВВ9Вгп |8В10Вт|

I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

| Бк | б.б |7.25 I 8.6 | 6 |10.7б| 8 (11.9 |12.03 |12.03 |

(_I_I_I_I_I_1_I_I_I__I

Как видно из таблицы 2, одноалфавитныб коды имеют меньшую задержку распространения сигнала в кодеке (отсутствует схема смены алфавита).

Оценка обнаруживающей способности кода. Обнаружение ошибок в блочных гадах ВОСН о использованием избыточности возможно одним из трех методов: 1) прямым, о использованием таблицы запрещенных комбинаций, 2) косвенным, о использованием некоторых общих признаков, которыми обладают разрешенные кодовые комбинации (п цифровых ВИСИ - днпиаритетнооть), 3) 1товенним.но контролю тек>им"1 цифроьоп <1уммы (1ЦС),

И

В диссертационной работе проведен сопоставительный анализ эффективности различных методов обнаружения ошибок. Оценка помехоустойчивости кодов осуществлялась по коэффициенту обнаружения ошибочных кодовых комбинаций (Коо). Значение Коо рассчитывалось в предположении появления только одиночных ошибок в кодовой комбинации. Это ограничение справедливо для цифровых ВОСП, т.к. для типичных значений вероятности ошибок (на элемент), Рэ=10... 10 , появление в кодовой комбинации ошибок большей кратности пренебрежимо мало.

В диссертационной работе разработаны алгоритмы и программное обеспечение по определению Коо для всех трех методов контроля верности принятой информации. В таблице 3 представлены коэффициенты обнаружения ошибок,по контролю таблицы кода (Коотабл), по контролю диспаритетности (Коодисп), по контролю ТЦС (Коотцс).

Таблица 3

I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

| 11В2ВП)12ВЗВш | ЗВ4ВШ14В5В |5B6Bm|6B8B |7B8Bm|8B9Bu|8B10Bm|

|-1-1-,-1-1-1-,-1-1-1

|Коотабл|0.25 |0.375|0.438| 0.5 |0.25 | 1 |0.156|0.357|0.958 | |Коодисп| 0 |0.042|0.0631 0.4 |0.125| 1 |0.023|0.029|0.009 | |КООТЦО |0.176| О |0.017| 0 10.00310.022| 0 | 0 |0.0018|

I_■ • ■_I_I_I_I_I_I_I_I

Из таблицы 3 видно, что наибольший коэффициент обнаружения ошибок имеет метод контроля по таблице разрешенных кодовых слов. Проведенный анализ показал, что такой способ контроля имеет более сложную техническую реализацию и значительно увеличивает задержку распространения сигнала в схеме контроля ошибок, поэтому этот метод контроля верности неэффективен для высокоскоростных ВОСП.

Метод контроля верности принятой информации по диспаритет-нооти и по ТЦС имеют примерно одинаковую сложность технической реализации и задержку распространения сигнала для ОЛВС небольшой протяженности. Поэтому, для высокоскоростных ВОСП в диссертационной работе рекомендуется применять контроль по диспаритетности, как обеспечивающий более высокую верность и надежность блочной синхронизации.

Вычисление избыточности кода. Важным показателем для вьюо-

коскоростных ВОСП является избыточность линейногс кода, непосредственно влияющая на пропускную способность системы. Отказ от использования простейших кодов (типа AMI) в высокоскоростных ВОСП произошел потому, что применение таких кодов приводит л уменьшению вдвое пропускной способности системы.

Избыточность кода определялась по известной формуле: R = n/m - 1.

В таблице 4 приведены значения избыточности (R) для кодов ВОСП типа гпВпВ.

Таблица 4

I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

| |1 В2Вт|2B3Bm|ЗВ4Вт|4В5В |5ВбВт|бВ8В |7В8Вт|8В9Вт |8В10Вт|

| И | 1.0 ( О.б |0.33 |0.26 | 0.2 |0.33 |0.143|0.12Б | 0.26 |

I_I_I_I_I_I_I_I_I__I_I

Очевидно, что о ростом длины кодовой комбинации (т) происходит уменьшение избыточности кода при сохранении соотношения п - т + 1.

Вычисление потерь помехоустойчивости из-за неидезльности синхронизации. Проблемы синхронизации особенно актуальны для высокоскоростных ВОСП. Потерн помехоустойчивости в диссертационной работе оценивзются уменьшением соотношения сигнал/шум на входе p-i-n фотодиода из-за нестабильности фронтов синхроимпульсов. Оценить такое уменьшение соотношения сигнал\шум возможно по формуле :

С\ы

где с\Шид. - отношение С\Ш при идеальной синхронизации;

Е - динамическая погрешность выделения Фронтон линхро импульсов.

Динамическая погрешность вычисляется по формуле ;

Г--4_

где (\ - постоянный коэффициент;

Р, а - вероятность сочетаний 10 и 01 (11 и 11).^

В качестве частного ПК (S/M) принято внзчение о

Ii T.".fi;ii!Ufi fi покапаны значения (S/II) для кодой' еплюкоош) [ I)' "I HUX füll'H Tillia ü'iillH .

Таблица 5

т I I I I ' I I I I I

11В2Вт12B3Bm13B4Bm14B5B |6B6Bm|6B8B 17B8Brn 18B9Bm |8B10Bm|

I S/N |1.468Ц.484Ц.330|1.346Ц.358|1.352|1.36911.350 |1.370 |

I_i_i_i_I_I_i_I_I_I_I

Третий раздел посвящен разработке методики выбора линейного кода ВОСП на основе решения многокритериальной задачи и построению экспертной системы. Для исключения "худших" вариантов ис-полт,пустая безусловный критерий предпочтения (БКП) по Парето.

В дальнейшем происходит выбор линейного кода из совокупности "нехудшт;:" вариантов на основании условного критерия предпочтения (УКП). В диссертационной работе обосновано применение метода весовых коэффициентов для решения задачи многокритериального выбора линейного кода ВОСП. Применение весовых коэффициентов позволяет объединить совокупность частных ПК (Ki) в комплексный критерий (Q), определяющий эффективность кода (целевая функция).

Выбор частных ПК кодов ВОСП и алгоритмы количественной оценки выбранных ПК приведены в разделах 1 и 2. При объединении разнородных ПК в единый комплексный критерий возникают 2 задачи: исключение размерности ПК и выбор функциональной зависимости влияния ПК на эффективность функционирования системы.

Первая задача решается приведением значений ПК в диапазон СО...12 путем нормирования.

Выбор вида целевой функции зависит от решаемой задачи, объема априорных сведений о проектируемой системе и предполагает определенный субъективизм исследователя. Недостаток априорных сведений о ВОСП не позволяет однозначно выбрать вид целевой функции, исходя из особенностей функционирования таких систем. Поэтому, в диссертационной работе попользуются различные целевые функции, применяемые для оптимизации характеристик различных систем овязи.

Для уменьшения влияния субъективного фактора при выборе линейного кода для ВОСП в диссертационной работе используется совокупность целевых функций, так как каждая целевая функция имеет овои недостатки, а принятие решения по совокупности целевых функции позволяет уменьшить влияние этих недостатков.

1) Аддитивная целевая функция "полином"

H

M

где W; - коэффициент относительной важности ПК (весовые коэффициенты) ; M - число выбранных ПК.

2) Мультипликативная целевая функция "позином"

3) Дробная целевая функция

Mit)

ыГ)

£ К(-); МЛ" С-1

где - число "положительных" ПК; М(~) - число "отрицательных" ПК; ¡((+) - значение текущего "положительного" ПК; - значение текущего "отрицательного" ПК.

4) Целевая функция "норма" м

5) Целевая функция "модуль векторной разности" ("эвклидово расстояние")

. о*=(%0

6) Целевая функция "угол между идеальной системой и реальной системой"

г м м м

ОХ = С^ССИ Ки^Ус ¡С, ■ ,>[£ (Киг: ■ 41

С сч лч

где Xutj. - значения частных ПК для лке&апэй сястскл

L!

Для Ц1, 02, 04, 05, Ц6 применяют ПК, приведенные к классу "полокительных" ПК путем очевидных преобразований:

К1(+) - 1 -кк-)

где КЦ+) - преобразованный положительный ПК;

К1(-) - изначальный отрицательный ПК.

Наилучшим признается код, который имеет максимальное значение 01, 02, 03, 04 и минимальное значение 05, 06.

Сложность решения задачи многокритериальной оптимизации обусловлена трудностью оценки относительной важности разнородных ПК, характеризующих проектируемую систему. Для уменьшения субъективизма в диссертационной работе предложено проводить многокритериальный выбор линейных кодов для значений весовых коэффициентов, находящихся в некотором диапазоне для каждого частного показателя качества.

В результате анализа следует выбирать код, который наиболее часто признавался лучшим при анализе всех возможных вариантов весовых коэффициентов.

Для реализации предложенной методики автором разработана экспертная система на базе ПЭВМ, позволяющая проводить оперативный выбор линейного кода для цифровых В0СП различного назначения.

Для проверки эффективности предложенной методики в диссертационной работе произведен анализ различных линейных кодов типа тВпВ для низкоекороотных В0СП первого поколения. Анализ показал, что для таких сиотем наиболее эффективным оказался код 1В2Втп, что соответствует кодам, применяемым в реальных В0СП первого поколения.

Четвертый раздел поовящен выбору линейного кода для высокоскоростной ОЛВС, на основе методики, представленной в разделе 3.

В диссертационной, работе показано преимущественное использование в высокоскоростных В0СП блочных кодов типа шВпВ. Совокупность количественных характеристик выбранных ПК линейных кодов представлена в таблице 6.

19. Таблица 6

I-1-1-:—I-1-1-1-1-1-1-1

| 11В2Вгп12ВЗВгп|ЗВ4Вш14В5В |БВбВт|6В8В |7В8Вт|8В9Вт |8В10Вт|

| Б(Гт) |7.24 |0.83 |1.25 | 1.4 Ц.25 Ц.25 |1.141|1-160 Ц.103 |

| л/^а 10.529|0.609|0.540|0.535|0.550|0.552)0.55510.552 |0.559 |

|Коодисп| 0 |0.042|0.063| 0.4 |0.125| 1 |0.023|0.029 |0.009 |

| I? | 1 | 0.5 |0.33 |0.25 | 0.2 |0.33 |0.143)0.125 | 0.25 |

| Бк | 5.5 |7.25 | 8.5 | 6 |10.75| 8 |11.9 112.03 |12.03 |

| З/М Ц.468Ц.484)1.330|1.346Ц.358Ц.352|1.369)1.350 Ц.370 |

I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1

Анализ таблицы показывает, что не существует линейного кода лучшего по всем ПК, т.е. очевидна необходимость выбора кода для ВОСП как решение многокритериальной задачи.

Для выбора "нехудших" вариантов в диссертационной работе применялся алгоритм Парето (как БКП). В результате "худшими" вариантами признаны коды : 2ВЗВт, (над ним доминирует код 4ВБВ), ВВЮВш (над ним доминируют коды 7В8Вт и БВбВт).

Следуя методике, изложенной в разделе 3, определены диапазоны значении весовых коэффициентов. В диссертационной работе на основе анализа особенностей функционирования высокоскоростных ОЛЕС наибольшие значения весовых коэффициентов С1.0;0.9;0.8] присвоены ПК, непосредственно влияющим на скорость в линии :

- задержке распространения сигнала в кодеке;

- избыточности кода.

Значения весовых коэффициентов С0.7;0.в;0.5] приовоены ПК, определяющим систему синхронизации СШВС :

- значение спектра на тактовой чаототе;

- уменьшение отношения сигнал\шум на входе фотоприемника.

Значения весовых коэффициентов С0.Б;0.4;0.3] присвоены ПК,

определяющего ширину спектра.

Значения весовых коэффициентов С0.3;0.2;0.1] приовоены значению коэффициента обнаружения ошибок по контролю диспаритетноо-ти.

На основании методики, изложенной в разделе 3, в диссертационной работе проведен выбор линейного кода для всех сочетаний весовых коэффициентов по всем целевым функциям (таблица 7).

Таблица 7

1 1 1 1 1 |1В2Вт|ЗВ4Вш|4В5В |5Е6Вт|6В8В I 1 7В8Вт 18B9Brn |

1 Q1 7. 1 1 1 0 | 0 1 1 | 100 | 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1

t Q2, 7. 1 0 | 0 1 100 1 0 го 0 1 0 1

1 Q3, 7. |57.61| 0 |41.15| 0 I 1.23 0 1 0 1

1 Q4, 7. 132.1 | :о |56.79| 0 1 0 0 111.1 1

1 Q5, 7. 1 0 | 0 |84.36| 0 |15.64 0 1 0 1

1 Q6, 7. 1 о | 1 I 0 | 100 | 1 I 0 | 0 1 0 1 0 1 1 1

д 1 1 |14.95| о 1 1 |80.38| 1 1 0 1 |2.81 1- 0 1 I 11.85 | | 1

Из таблицы 7 видно, что код 4В5В-является лучшим для целевых функций , 02, Ц4, и'по всей совокупности целевых функций. "

Дополнительным преимуществом кода 4В5В является его байт-ориентированность, что упрощает сопряжение ВОСП с ПЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. '

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1) Показано, что отсутствует системный анализ влияния отдельных характеристик кодов на - эффективность функционирования системы в целом. Обоснована проблема выбора линейного кода для ВОСП как решение многокритериальной задачи.

2) Уточнен перечень функциональных требований к кодам высокоскоростных ВОСП и на их базе сформированы частные показатели качества кодов. -

- 3) Разработана методика выбора ^линейного кода для высокоскоростных ВОСП на основе решения многокритериальной задачи с использованием различных критериев'-эффективности.

4) Разработаны методы расчета количественных характеристик частных показателей качества слин#Йнкх г кодов высокоскоростных ВОСП. В частности предлагаются "ийкеЫрныё методы :

- расчета энергетического спектра сигналов линейных кодов на основе вычисления корреляциВШЩ^Унга^ии кода. Разработанный алгоритм вычисления корреляцШЙО^ ^'йкции учитывает структуру кодов, применим как для двоичШ^^^^Р^ля многоосновных кодов Н

и требует меньшего объема вычислений по сравнению с классическим алгоритмом расчета корреляционной функции;

- оценки верхней границы задержки распространения сигналов в кодеке для различных кодов ВОСП;

- оценки помехоустойчивости линейных кодов ВОСП при использовании различных способов выявления ошибок. Показано, что в высокоскоростных ВОСП небольшой протяженности целесообразно использовать метод обнаружения ошибок по контрою диспаритетности;

- оценки влияния неидеальности синхронизации на помехоустойчивость приема.

5) Разработаны алгоритм и программа для создания интерактивной экспертной системы поддержки принятия решений при выборе кода для ВОСП на базе ПЭВМ.

6) Обосновано использование в высокоскоростных ОЛВС линейного кода 4В5В.

Результаты проведенных автором исследований использованы при разработке высокоскоростных ВОСП в Институте кибернетики Академии наук Беларуси.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах автора:

1. Аналитический расчет корреляционной функции линейных кодов цифровых систем связи // ИВУЗ Радиоэлектроника.-1992.-И 9.-С. 73-76. (Соавтор Солодовниченко М.Б.)

2. Выбор линейного кода для ВОСП// ИВУЗ Радиоэлектроника.-1994.-11 10.-С. 74-77. (Соавтор Солодовниченко М.Б.).

3. Выбор оптимального кода для волоконно-оптических линий связи минимаксным методом //Материалы XVI международной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации. ЛБНТОВТ. - М.,1992.-т. 1.- С. 287-289. (Соавтор Солодовниченко М.Б.)

4. Помехоустойчивость цифровых сигналов волоконно-оптических систем передачи // Материалы XVI международной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации. Л|;иIОВТ.-М.,1992.-т. 1.-С. 74-76. (Соавтор Солодовниченко М.Б.)

5. Вычисление спектров линейных кодов ВОСП на основе аналитического расчета корреляционной функции. // Материалы XVI иел-А\'н:.р''дн''й научно-технической конференции се1сции »здпосвязн п ¡аччоп.-г.-игнч.пп. ЛГ.НГОВТ,- М. ,1993.- т. 2,- С. 125-127. (Соавтор

15

Солодовниченко М.Б.)

6. Расчет энергетического спектра трехуровневых кодов для волоконно-оптических линии связи. // Материалы XVI международной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации. ЛБНТОВТ. - М., 1993. - т. 2.- С. 128-130. (Соавтор Солодовниченко М.Б.)

7. Сравнительная оценка сложности неминнмизнрованных кодеков ВОСП. // Материалы XVII научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации. БНТОВТ. - М., 1994. - т. 1.-С. 81-83. (Соавтор Солодовниченко М.Б.).

8. Определение кода для высокоскоростных ВОСП методом системного анализа. // Материалы XVII научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации. БНТОВТ. - М., 1994.- т. 1.- С. 93-95. (Соавтор Солодовниченко М.Б.).

9. Волоконно-оптические системы передачи.- Учебное пособие.- М.: МТИР (в печати). (Соавторы Ильин A.A., Крестьянинов В.В., Солодовниченко М.Б.).

10. Отчет НИР. Исследование и определение актуальных приложений теоретических вопросов радиотехники в морской связи и навигации. Руководитель М.Б. Солодовниченко, Л., ГМА, 1692 (раздел 1) N ГР 01920013699.

11. Отчет НИР. Развитие и совершенствование систем и технических средйтв морской радиосвязи, радионавигации и радиолокации. Руководитель М.Б. Солодовниченко, СПб, ГМА, 1994 (раздел 1) N ГР 01930001300.