автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование комбинированных методов защиты от мешающего воздействия электрического эха в каналах связи

■г ч .: > .. ' ' ' ./

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи ШЕВЕЛЁВ Сергей Владимирович

УДК 621.395.664.12

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ МЕШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА

В КАНАЛАХ СВЯЗИ

Специальность 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники

и связи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор ЦЫБУЛИН М.К.

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 5

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ БОРЬБЫ С ЯВЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА........................... 13

1.1. Общая характеристика методов эхоподавления............ 13

1.1.1. Общие положения.................................................. 13

1.1.2. Метод самобалансирующейся дифференциальной системы................................. 14

1.1.3. Метод эхозаграждения.......................................... 15

1.1.4. Метод эхокомпенсации......................................... 17

1.2. Сравнительная оценка существующих методов эхоподавления. Анализ их достоинств и недостатков .. 18

1.3. Особенности применения эхоподавляющих устройств

на Взаимоувязанной сети связи России......................... 23

1.4. ВЫВОДЫ........................................................................ 28

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ ЭХОСИГНАЛОВ................................................................. 30

2.1. Анализ и уточнение составляющих обобщенного критерия эффективности использования методов эхоподавления................................................................ 30

2.2. Разработка математических моделей эхоподавителей и среды их функционирования......................................... 38

2.2.1. Общие положения.................................................. 38

2.2.2. Модель самобалансирующейся дифференциальной системы................................. 39

2.2.3. Модель эхозаградителя....................................... 40

2.2.4. Модель эхокомпенсатора..................................... 44

2.2.5. Модель эхотракта.................................................. 50

2.2.6. Модели источников внешних воздействий.......... 53

2.3. Повышение качества передачи речи по эхозащищенным каналам связи...................................... 57

2.4. ВЫВОДЫ........................................................................ 65

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭХОПОДАВИТЕЛЕЙ И ИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПО КРИТЕРИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ............................................................ 66

3.1. Общие положения........................................................... 66

3.2. Разработка математических моделей комбинированных эхоподавителей................................ 66

3.2.1. Модель взаимодействия ЭК и ЭЗ.......................... 66

3.2.2. Модель взаимодействия ЭК и СДС...................... 72

3.2.3. Модель взаимодействия ЭЗ и СДС....................... 75

3.2.4. Модель взаимодействия ЭК, ЭЗ и СДС................ 78

3.3. Предварительная оценка комбинированных методов эхоподавления по критерию эффективности................. 78

3.4. ВЫВОДЫ........................................................................ 91

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭХОПОДАВИТЕЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 93

4.1. Общие положения........................................................... 93

4.2. Логическая структура алгоритма имитационной

модели и его программная реализация.......................... 93

4.3. Обработка результатов машинного моделирования .... 111

4.4. Анализ возможности реализации комбинированных эхоподавителей на современной элементной базе......... 128

4.5. ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................133

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................................................136

Приложение 1..........................................................................................................................................................145

Приложение 2..........................................................................................................................................................163

Приложение 3..........................................................................................................................................................189

ВВЕДЕНИЕ

Связь является одной из наиболее быстро развивающихся частей инфраструктуры общества. Без развития связи невозможен переход от индустриального к информационному обществу во всемирном масштабе. Основными тенденциями развития связи как во всемирном масштабе, так и по регионам и отдельным странам является развитие связи в двух основных и противоположных направлениях: персонализация и глобализация [31].

Персонализация связи должна явиться итогом разработки внедрения концепции Универсальной персональной связи (Universal Personal Telecommunication - UPT), активно разрабатываемой Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) в рамках исследовательских комиссий. Согласно этой концепции каждый абонент UPT должен иметь персональный телефонный номер, которым он будет пользоваться в любой точке мира.

Глобализация связи означает создание Всемирной сети связи, т.е. единой сети, охватывающей все страны. Частью Всемирной сети связи станет глобальная сеть мобильной связи, обеспечивающая абоненту доступ к связи в любой точке Земли. Всемирная сеть связи предполагает построение на базе национальных сетей связи, объединенных в единую (с точки зрения информационного пространства) сеть связи с помощью интерфейсов (аппаратных и программных средств), выполненных на основе рекомендаций МСЭ. Основой Всемирной сети связи, ее транспортной средой станет Глобальное цифровое кольцо связи (ГЦКС), состоящее из цифровых каналов и трактов, созданных на базе трансокеанских и трансконтинентальных волоконно-оптических и спутниковых линий связи. В свою очередь, на базе только спутниковых систем,

использующих космические аппараты на геостационарных орбитах (высота ~ 39 тыс. км), на средних орбитах (высота ~ 10 тыс.км) и низких орбитах (высота ~ 1 тыс. км) будут создаваться глобальные спутниковые сети связи, дополняющие наземные сети. Глобальные, национальные, региональные и абонентские сети связи обеспечат абонента любыми услугами, в любом месте земного шара, в любое время по его персональному номеру, который он получит с момента рождения и который будет зарегистрирован во Всемирной сети связи.

Развитие сетей связи в вышеуказанных направлениях приведет к значительному увеличению относительного числа каналов, имеющих большое время распространения сигнала - т.н. "протяженных" каналов. Качество речевой информации, передаваемой по таким каналам, резко снижается вследствие мешающего воздействия эффекта электрического эха. Для борьбы с эхосигналами в настоящее время практическое применение в качестве самостоятельных устройств нашли два вида эхоподавителей (ЭП): эхозаградители (ЭЗ) и эхокомпенсаторы (ЭК).

Целью диссертационной работы является: разработка и исследование комбинированных методов защиты от мешающего воздействия электрического эха для создания эхоподавляющих устройств, обеспечивающих высокое качество передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи при высокой функциональной надежности в условиях эксплуатации, характерных для Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России.

Состояние вопроса и задачи исследования: одним из наиболее эффективных способов борьбы с явлением электрического эха является метод компенсации эхосигналов [1,9,13,14]. Эхокомпенсатор, представляющий собой устройство синтеза копии эхосигнала, обычно содержит адаптивный

трансверсальный фильтр (АТФ), вектор весовых коэффициентов которого корректируется устройством адаптации по некоторому алгоритму адаптации. В большинстве случаев - это метод наименьших квадратов (МНК), обладающий минимальной вычислительной сложностью из всех алгоритмов адаптации [64,66-68,72,73]. Однако ЭК обладает существенным недостатком, способным свести на нет его основное преимущество перед ЭЗ - высокий балл абонентской оценки. Этим недостатком является значительная зависимость работоспособности ЭК, а значит и качества передачи, от условий функционирования. Сильная степень влияния внешних факторов, к основным из которых относят: проскальзывание цикла ЦСП, нелинейные процессы в эхотракте, включая квантование сигнала, сдвиг частот, вносимый оборудованием систем передачи в эхосигнал, применение устройств обработки речи приводит к тому, что правильная адаптация ЭК становится невозможной, и он оказывается неработоспособен [4,14,64]. Опыт эксплуатации ЭК на национальных и международных сетях показал, что вероятность появления таких условий функционирования значительна [14,67]. Особую актуальность проблема неработоспособности ЭК приобретает по мере цифровизации магистральной первичной сети и внедрения электронного управления междугородных и международных станций на фоне сильного отставания развития местных телефонных сетей -сельских и городских. Цифровизация магистральной первичной сети, осуществляемая на основе стратегии наложения цифровой первичной сети на существующую аналоговую или на основе вкрапления цифровых систем передачи в существующую аналоговую сеть, является дополнительным фактором, который вследствие частичной функциональной несовместимости оборудования может приводить к

возникновению ситуаций, препятствующих выполнению ЭК своих основных функций.

Устранение вышеуказанных недостатков ЭК может осуществляться несколькими различными способами:

- отказ от применения ЭК и использование ЭЗ, поскольку их работоспособность практически не зависит от условий функционирования, характерных для ВСС. Однако низкий балл абонентской оценки качества работы ЭЗ не позволяет рекомендовать метод эхозаграждения в качестве перспективного для использования на сети связи [26,65];

- наращивание сложности алгоритмов обработки в ЭК. Хотя в настоящее время отмечается увеличение производительности и концентрации СБИС при резком снижении удельной стоимости логического элемента, а также повышение скорости обработки информации и увеличение емкости памяти логических схем, наращивание сложности алгоритмов обработки ЭК приведет к неоправданному росту сложности технической реализации эхоподавителей [6,9,14,72];

создание комбинированных методов эхоподавления, обеспечивающих как высокое качество эхоподавления, так и высокую функциональную надежность без существенного увеличения сложности технической реализации по/отношению к существующим методам [7,8]. Эхоподавляющие устройства комбинированного типа способны гарантировать высокое качество передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи при переходе от существующей аналоговой к аналогово-цифровой, а в будущем - к полностью цифровой сети.

Вышеперечисленные методы эхоподавления и их модификации предполагают устранение не причины, а следствия возникновения

эхосигналов. Причиной же появления электрического эха, как известно, является отражение сигналов в точке перехода от четырехпроводной к двухпроводной части телефонного соединения -дифсистеме. Поиск путей совершенствования дифсистемы является сложной инженерной задачей и предполагает сведение к минимуму мешающее воздействие токов эха [3].

Качество телефонной передачи по эхозащищенному каналу в значительной мере может снижаться за счет неправильной работы эхоподавляющих устройств вследствие изменения динамических характеристик канала. Повышение эффективности и качества передачи речевой информации в этом случае может быть достигнуто путем оптимизации управления ЭП на ВСС с учетом всех основных технико-экономических аспектов и возможностей, а также динамики развития сети связи.

Из всего вышеизложенного вытекают следующие задачи исследований:

1. Анализ современных методов борьбы с мешающим воздействием эхосигналов;

2. Совершенствование методики сравнительной оценки различных методов эхоподавления с использованием обобщенного критерия эффективности их применения;

3. Разработка математических и имитационных моделей эхотракта и источников внешних воздействий;

4. Разработка алгоритмов комбинированных методов эхоподавления;

5. Разработка математических и имитационных моделей комбинированных эхоподавителей. Проведение на их основе оценки и оптимизации по критерию эффективности комбинированных методов эхоподавления;

6. Построение близкой к оптимальной модели комбинированного эхоподавителя, работоспособной на эхотрактах любых конфигураций;

7. Формулировка рекомендаций по вопросам размещения и управления комбинированными эхоподавителями на ВСС России.

Научная новизна работы заключается в обосновании технических разработок, обеспечивающих решение важных прикладных задач, связанных с повышением качества передачи речевой информации по каналам связи. Комплексный подход к рассмотрению существующих методов эхоподавления позволил построить математические модели различных комбинированных структур эхоподавляющих устройств для последующего анализа механизма их функционирования и работоспособности в различных условиях эксплуатации. Предложенная модель комбинированного эхоподавителя с использованием ЭК и ЭЗ является тем универсальным инструментом, который можно применять для борьбы с мешающим воздействием токов электрического эха на существующей аналогово-цифровой сети с сохранением высокого качества эхоподавления вне зависимости от структуры эхотракта и используемого каналообразующего оборудования.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Существующие на сегодняшний день эхокомпенсаторы, которые способны обеспечить потенциально более высокое качество эхоподавления, могут оказаться неработоспособными вследствие присущих им особенностей работы и частичной функциональной несовместимости используемого оборудования на современной аналогово-цифровой сети связи. Существенного повышения качества передачи по эхозащищенным каналам связи можно добиться путем создания эхоподавляющих устройств комбинированного типа.

2. Адекватной мерой качества работы эхоподавляющих устройств является величина мощности сигналов неподавленного эха и клиппированного сигнала на входе тракта передачи, позволяющая осуществлять управление взаимодействием структур, входящих в состав комбинированного эхоподавителя.

3. Математические и имитационные модели эхоподавителей различных структур построения и среды их функционирования, дают возможность проводить сравнительную оценку и оптимизацию методов эхоподавления.

4. Структура построения комбинированного эхоподавителя с использованием ЭК и ЭЗ является наиболее предпочтительной по сравнению с другими типами эхоподавляющих устройств.

5. Предложенные оценки критерия эффективности и его основных составляющих, позволяют определить степень необходимости применения эхоподавляющих устройств с целью выявления близких к оптимальным структур построения, способных обеспечить максимально возможное качество телефонной передачи, с учетом разнообразия структур абонентских трактов, характерного для Взаимоувязанной сети связи России.

Практическая ценность работы состоит в разработке алгоритмов работы и методов настройки комбинированных эхоподавителей, позволяющих обеспечить наилучшее, в заданных условиях, качество телефонной передачи с точки зрения защиты от мешающего воздействия электрического эха и эффектов, сопровождающих включение эхоподавляющих устройств в канал, на эхотрактах практически любых конфигураций.

Разработанная методика оценки способов борьбы с мешающим воздействием электрического эха с использованием обобщенного критерия эффективности позволяет проводить сравнительное

исследование работоспособности эхоподавляющих устройств различных типов по совокупности параметров.

Результаты диссертационной работы в виде алгоритмов работы комбинированных эхоподавляющих устройств, математических и имитационных моделей комбинированных эхоподавителей и их среды функционирования, методики оценки эффективности использования эхоподавляющих устройств различных типов внедрены в опытно-конструкторские разработки и проектные работы, проводимые в ЗАО "Связьпром", ОАО "Гипросвязь", а также в учебный процесс МТУСИ, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ БОРЬБЫ С ЯВЛЕНИЕМ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА

1.1. Общая характеристика методов эхоподавления

1.1.1. Общие положения

Как уже указывалось ранее, одним из основных факторов, приводящих к значительному снижению качества передачи речевой информации по протяженным телефонным каналам, является эффект электрического эха. Причины его возникновения, характер и степень его мешающего воздействия подробно изучены как отечественными, так и зарубежными исследователями [1-3,13, 66].

Каждое из разработанных ранее и разрабатываемых в настоящее время специальных устройств для подавления эхосигналов, несмотря на разнообразие предлагаемых конструктивных решений, реализует определенный метод, на основе ко