автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование способов и методов оптимизации цифровых линейных трактов

Министерство Российской Федерации по транспорту и связи Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

На правах рукописи УДК 621.328

Попов Георгий Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ И МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ЦИФРОВЫХ ЛИНЕЙНЫХ ТРАКТОВ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства

телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

!

|Ц Оэй

Министерство Российской Федерации по транспорту и связи Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

На правах рукописи УДК 621.328

Попов Георгий Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ И МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ЦИФРОВЫХ ЛИНЕЙНЫХ ТРАКТОВ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства

телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Шувалов В.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Венедиктов М.Д.

доктор технических наук, профессор Султанов А.Х.

доктор технических наук, профессор Лебсдянцсв В.В.

Ведущая организация: ЛОНИИС, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится « 1. » ицз^Л^) 2004 г. в 40_ часов на заседании диссертационного совета Д 219.005.01 .в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ). Адрес: СибГУТИ, 630125, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГУТИ. Автореферат разослан «'№» ^Уй^Ь 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

п

профессор Крук Б. И.

.аЛЬЙАЯ

библиотека

у ейетс^бурт

2^7

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. 18 июня 2003 г. Государственной Думой принят Федеральный закон «О связи» - открывающий новый этап в развитии российских телекоммуникаций, а именно, превращения российского общества на базе конвергентного объединения информации и телекоммуникации в электронно-информационное общество. При этом сетевой основой российских телекоммуникаций определена Единая сеть электросвязи (ЕСЭ), являющейся преемницей Взаимоувязанной сети связи (ВСС), создававшейся и развивавшейся в Российской Федерации с 1992 г. по 2003 г.

В общем составе сетей, входящих в ЕСЭ, сеть общего пользования (ОП) является доминирующей, обслуживает подавляющее число пользователей ЕСЭ и определяет устойчивость функционирования ЕСЭ в целом.

Существующее состояние сетей ОП характеризуется высокими темпами внедрения новых технологий - волоконно-оптические технологии, 1Р-телефо-ния, подвижная связь и т.д. Вместе с тем, указанные позитивные процессы еще не охватили все сети, расположенные на территории страны. Поэтому сеть ОП России отличается крайней неравномерностью: наряда' с передовыми технологиями на сети имеется большое количество устаревшего оборудования предшествующих поколений, на ней не внедрено универсальное обслуживание, имеется большое количество населенных пунктов, имеющих сеть ОП с использованием аналоговых технологий. В целом сеть ОП ЕСЭ еще не соответствует уровню сетей европейских и других развитых мировых стран.

Мировыми тенденциями в развитии сетей ОП являются: глобализация, т.е. объединение национальных сетей в мировые; конвергенция телекоммуникационных и информационных сетей и превращение их в инфокоммуникационные сети; интеграция сетей ОП и сетей ограниченного пользования с целью предоставления корпоративным и спецабонентам специфических услуг путем образования виртуальных частных сетей на базе сетей ОП.

Таким образом, имея в виду социальное, общественное и стратегическое значение сетей ОП, перспектива их развития должна стать главной задачей Администрации связи Российской Федерации.

Такой перспективой на данном этапе развития ЕСЭ следует считать переход к построению мультисервисных сетей с предоставлением любому пользователю на территории Российской Федерации как общедоступных услуг универсального обслуживания, так и новых, перспективных.

Под мультисервисной сетью понимается совокупность телекоммуникационных и информационных ресурсов, совместная эксплуатация которых направлена на удовлетворение потребностей пользователей в традиционных и перспективных инфокоммуникационных услугах. При преобразовании сетей связи общего пользования в мультисервисные основными функциями остаются передача и распределение информации.

В сфере передачи информации стратегическим направлением является дальнейший количественный рост пропускной способности используемых линий и узлов электросвязи за счет технологического развития оптических спосо-

бов передачи и методов уплотнения по длине волны, переход к полностью оптическим сетям. Однако при разработке путей развития средств и методов передачи информации в сети ОП должны учитываться национальные отличия России, а именно:

меньший уровень телефонизации и развития телекоммуникационных и информационных сетей;

большое количество устаревшей аналоговой техники на сетях связи работающей по электрическим линиям связи;

большая территория России, значительные расстояния, большая неравномерность плотности населения, развития связи и Интернета по регионам России; различия в состоянии экономики и в уровне благосостояния населения. В этой связи актуальной проблемой представляется задача оптимизации существующих электрических цифровых линейных трактов (ЦЛТ) первичной сети ОП таким образом, чтобы их параметры по пропускной способности и дальности передачи информации были сопоставимы с соответствующими параметрами оптических цифровых линейных трактов РИН (по крайней мере на местном и внутризоновом участках первичной сети), а сами электрические ЦЛТ не подвергались бы при этом существенной реконструкции.

Важность решения поставленной задачи обусловлена тем обстоятельством, что в настоящее время значительная часть каналов и трактов местного и внутризонового участков первичной сети предназначенных для передачи цифровой информации формируемых мультисервисных сетей, организована с использованием электрических цифровых линейных трактов, достигая при этом в некоторых регионах (Западная, Восточная Сибирь, Забайкалье) 70-80% от общего объема передачи информации в сети ОП.

Очевидно, что электрические цифровые линейные тракты являются и, в будущем, будут являться существенной компонентой Единой сети электросвязи Российской Федерации. Поэтому данная диссертационная работа, посвященная исследованию и разработке способов и методов повышающих эффективность использования существующих электрических цифровых линейных трактов внутризоновых и местных первичных сетей ОП, представляется существенным вкладом в решение важной народно-хозяйственной задачи: создание современной мультисервисной сети ЕСЭ с возможностью эффективного вхождения в развивающееся Глобальное информационное общество (ГИО).

Цель и основные задачи исследования. Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и решению научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение - разработке способов и методов повышающих эффективность использования существующих электрических линейных трактов первичной сети ОП с целью развития современных мультисервисных сетей, предназначенных для удовлетворения потребностей населения, органов государственной власти и управления, обороны, безопасности, охраны правопорядка, а также хозяйствующих субъектов в услугах электросвязи. Устойчивая и качественная работа сети связи является важнейшим условием деятельности государства и общества.

Основной задачей диссертации, базирующейся на выполненных автором научных исследованиях, практическом обобщении имеющихся научных результатов и практического опыта, накопленного в процессе разработки отечественных ЦСП, является создание научных основ построения оптимальных электрических цифровых линейных трактов и практической методики их реализации, позволяющих достичь для существующих электрических ЦЛТ на местном и внутризоновом участках первичной сети параметров по дальности передачи сопоставимых с параметрами оптических ЦЛТ РБН, обеспечивая при этом минимальную стоимость оборудования ЦЛТ и минимальный объем работ по реконструкции.

С этой целью в диссертации:

• разработаны принципиально новые теоретические основы регенерации цифровых линейных сигналов, базирующиеся на доказанной автором теореме об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем, обосновывающей возможность асимптотической коррекции;

• предложен способ асимптотической коррекции и устройство для его реализации, позволяющие свести к минимуму межсимвольные и межсистемные влияния при передаче цифровых потоков по электрическим линейным трактам, обеспечивающий предельно достижимую длину регенерационных участков;

• произведена оптимизация параметров асимптотической коррекции, позволяющая минимизировать величину межсимвольных помех, возникающих из-за неточности работы системы тактовой синхронизации;

• предложен способ подавления межсимвольных помех возникающих при регенерации с асимптотической коррекцией;

• синтезирован новый класс линейных кодов с дуобинарным кодированием и чередованием полярности импульсов (ДБК-ЧПИ-ш), позволяющих повысить пропускную способность существующих цифровых линейных трактов;

• получены аналитические выражения, базирующиеся на неравенстве Коши-Буняковского, для оценки точности верхней границы энергетических спектров цифровых линейных сигналов;

• разработана методика расчета помехозащищенности в цифровых линейных трактах при совместном влиянии собственных помех и помех от линейных переходов;

• разработана методика расчета предельно достижимых длин регенерационных участков для внутризоновых и местных сетей, показывающая значительный резерв в их возможном увеличении;

• разработана и внедрена в серийно выпускаемую аппаратуру ИКМ-7ТМ схема преобразователя кода ДБК-ЧПИ;

• разработана универсальная схема преобразователя кода для реализации алгоритма кодирования ДБК-ЧПИ-ш

Методы исследования. В диссертационной работе использован математи ческий аппарат функционального анализа, теории матриц, теории сигналов

теории вероятностей и вычислительной математики. В процессе исследований широко использовалось имитационное моделирование на ЭВМ и физический эксперимент на макетах оборудования и блоках системы передачи.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

• доказана теорема об асимптотическом поведении импульсных реакций по-лосно-ограниченных линейных систем, устанавливающая связь мешу разрывами передаточной функции или ее производных с формой импульсной реакции на выходе линейной системы;

• решена задача оптимизации передаточной функции линейной системы, обеспечивающей максимальную концентрацию энергии импульсной реакции с эквидистантными нулями на заданной временном интервале;

• доказано утверждение о том, что в общем случае максимум концентрации энергии импульсной реакции с эквидистантными нулями на заданном временном интервале, обеспечивают передаточные функции линейных систем в виде вытянутых волновых сфероидальных функций;

<> получено аналитическое выражение для энергетического спектра межсимвольных помех при передаче цифровых линейных сигналов по полосно-ограниченным линейным трактам; в разработан и исследован алгоритм получения нового типа линейных сигналов ДБК-ЧПИ-ш и предложены способы его реализации;

• разработана универсальная методика «оценки сверху» энергетических спектров двух и трехуровневых цифровых линейных сигналов;

• разработана общая методика расчета помехозащищенности в цифровых линейных трактах при совместном влиянии собственных помех и помех от линейных переходов.

Практическая ценность. Разработанный и исследованный в диссертационной работе принципиально новый способ регенерации двух- и трехуровневых цифровых линейных сигналов с использованием асимптотической коррекции теоретически позволяет значительно увеличить длину регенерационного участка. При этом максимальная длина участка регенерации с использованием линейного сигнала ДБК-ЧПИ значительно больше, чем для линейных кодов с ЧПИ и ДБК и ограничивается электрической прочностью кабеля связи, составляя при этом десятки километров, что сопоставимо с длиной регенерационного участка оптических систем передачи и означает возможность организации электрических ЦЛТ без промежуточных регенераторов.

Разработанный и исследованный в диссертации новый класс цифровых линейных кодов ДБК-ЧПИ-ш позволяет значительно (более чем в два раза) увеличить пропускную способность электрических ЦЛТ по сравнению с традиционными линейными сигналами в виде ЧПИ и ДБК и общепринятым алгоритмам регенерации. При одинаковой пропускной способности применение кода ДБК-ЧПИ-ш обеспечивает значительно большую длину участка регенерации по сравнению с кодами ЧПИ и ДБК, и сопоставимую (и даже превосходящую) с дли-

нами регенерационных участков по технологии 2B1Q, САР и ТС-РАМ, при этом сложность оборудования формирования и регенерации линейных сигналов с кодом ДБК-ЧПИ существенно меньшая чем в вышеперечисленных технологиях.

Реализация результатов. Проведенные исследования являются составной частью ряда хоздоговорных и госбюджетных НИР по созданию высокоэффективных цифровых линейных трактов, выполняемых с 1980 по 2002 годы на кафедре многоканальной электросвязи и оптических систем и на кафедре радиотехнических систем связи НЭИС - СибГАТИ - СибГУТИ:

• «Исследование принципов построения цифрового линейного тракта на воздушных линиях связи». № ГР 01870092834; инв. № 02880001055; 02890034475; 02900030346, 1987-1989 гг. Заказчик ЛОНИИС, г. Санкт-Петербург. Научный руководитель - Попов Г.Н.

• «Разработка приемо-передатчика абонентской линии ЭАТС-ЦА». № ГР 01900034728, инв. № 02910017159, 1988-1990 гг. Заказчик - ЦНИИС, г. Москва. Научных руководитель - Попов Г.Н.

• «Изыскание теоретических и инженерных решений по созданию аналоговых и аналого-цифровых устройств для повышения эффективности использования кабельных линейных трактов цифровых систем передачи», 1987-1989 гг. Заказчик - КБ «Кабель», г. Уфа. Научный руководитель - Попов Г.Н.

• «Исследование и разработка цифровых систем передачи для абонентских линий городских и сельских телефонных сетей», 1985-1986 гг. Заказчик -ЦКБ связи, г. Свердловск. Научный руководитель - Ситняковский И.В. Исполнитель - Попов Г.Н.

• «Исследование новых методик построения лабораторных узлов ЦСП и разработка их схемотехнических решений», 1990-1991 гг. Заказчик - НЭИС, г. Новосибирск. Научный руководитель - Попов Г.Н.

а также краткосрочных НИР выполнявшихся по заказам ОАО «Электросвязь», г. Новосибирск (1996, 1999 гг.), ООО «Сибирские сотовые системы-900», г. Новосибирск (2000 г.), ОАО «Интертел-Сибирь», г. Новосибирск (2002 г.). В серийно выпускаемой аппаратуре ЙКМ-7ТМ используется линейный код ДБК-ЧПИ, разработанный и исследованный автором в 80-е годы XX века. Результаты некоторых исследований используются в учебном процессе Межрегионального центра переподготовки специалистов СибГУГИ.

Использование результатов исследований и разработок подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, докладывались и обсуждались на:

• Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности сетей связи и их элементов» (Новосибирск, 1978 г.);

• Региональной НТК, посвященной Дню радио (Новосибирск, 1980 г.);

• Всесоюзной НТК «Проблемы развития цифровых систем передачи городских и сельской сетей связи на основе электрических волоконно-оптических кабелей» (Москва, 1987 г.);

• Межотраслевой НТК (Уфа, 1989 г.);

• Международной НТК «Проблемы функционирования информационных сетей» (Новосибирск, 1991 г.);

• Российской НТО «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1994 г.);

• Межрегиональной НТК «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи» (Москва-Новосибирск, 1995 г.);

• Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1997 г.);

• Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1998 г.);

• Международном семинаре «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций» (Владивосток, 1998 г.);

• Региональной НТК «Наука, техника, инновации» (Новосибирск, 2001 г.);

• Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2002 г.);

» Международном семинаре «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций (Санкт-Петербург, 2002 г.);

• Международном форуме «Новые инфокоммуникационные технологии: достижения, проблемы, перспективы» (Новосибирск, 2003 г.);

• Международных НТК «Siberian Russian Workshop on of Electron Devices and Materials - EDM-2002, EDM-2003» (Эрлагол, 2002,2003 гг.);

• Международной НТК «2003 Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications - MEMIA 2003» (Новосибирск, 2003 г.);

в Ежегодных областных НТК, посвященных Дню радио (Новосибирск, 19802004 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ, из них:

- 14 учебников, учебных пособий и монографий (в том числе 8 в издательствах «Радио и связь» и «Горячая линия - Телеком», г. Москва);

- 22 статьи (в том числе 12 в центральных изданиях, международных сборниках и изданиях IEEE);

- 11 авторских свидетельств, патентов, заявок и информационных листов на изобретения (в том числе б авторских свидетельств и патентов);

- 28 тезисов докладов (в том числе 17 на Международных, всесоюзных и региональных конференциях, семинарах и форумах).

Предыстория исследований. Среди основополагающих работ, относящихся к решению основной задачи теории и практики связи, заключающейся в повышении эффективности использования каналов и трактов систем передачи информации, следует отметить труды:

А.И. Величкина, М.Д. Бенедиктова, Л.А. Коробкова, Г.Г. Меньшикова, М.В. Назарова, В.А. Погрибного, Ю.Н. Прохорова, Б.Е. Трофимова - по развитию теоретических и прикладных вопросов кодирования речевого сигнала;

Ю.С. Лезина, Н.Т. Петровича, О.Н. Порохова, Л.М. Поляк, И.В. Ситняков-ского, В.О. Шварцмана, А.Г. Зюко, А.И. Фалько, В.П. Шувалова - в области теоретических основ и принципов построения кодеков каналов связи;

В.Н. Гордиенко, В.П. Кокошина, Р.Е. Кричевского, Б.Я. Рябко, В.К. Трофимова, В.Г. Учера, В.А. Шура по разработке методов увеличения пропускной способности каналов и трактов за счет статистического сжатия информации;

BJT. Банкета, Э.Б. Блоха, В.В. Гинзбурга, В.А. Зиновьева, В.В. Зяблова, В.И. Коршика, К.А. Мешковского, Э.А. Немировского по разработке теории сигнально-кодовых конструкций;

В .А. Киселя, BJ3. Лебедянцева, Д.Д. Юговского, С.А. Курицина, В.К. Мариго-дова, П.Я. Нудельмана, В.В. Шахгильдяна, Я.З. Цыпкина по проблемам оптимизации сигналов и адаптивной коррекции при передаче сигналов по каналам и трактам;

Н.Г. Загоруйко, А.А. Пирогова, М.А. Сапожкова - по исследованию статистических характеристик речи;

Ю.А. Алексеева, А.Н. Голубева, В.П. Кокошкина, М.С. Левина, И.А. Лозового, A.M. Меккеля, Ю.А. Парфенова, М.У. Поляка, М.А. Плоткина в области практических разработок отечественных ЦСП.

Наряду с отечественными учеными большой вклад в развитие основной задачи по высокоэффективной передаче цифровой информации внесли публикации и работы таких видных зарубежных специалистов, как Дж. Беллами, Б.П. Латхи, Р. Стал, Д. Слепян, Дж. Спилкер, Л. Рабинер, Р. Крогер, К. Катлер и др.

Часть исследований и практических разработок выполнялась автором совместно с П.Я. Нудельманом, В.П. Шуваловым и с аспирантами: Е.Ю. Вагин-ской, Д.В. Кожевниковым, В.Д. Гармаевым и А.Ю. Гусевым.

Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

• доказательство теоремы об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем;

• синтез и анализ регенератора с асимптотической коррекцией, определение основных характеристик его работы;

• оптимизация параметров регенератора с асимптотической коррекцией;

• универсальный алгоритм по подавлению межканальных помех и помех от линейных переходов;

• синтез линейных кодов ДБК-ЧПИ, повышающих пропускную способность существующих электрических цифровых линейных трактов;

• сравнительный анализ спектральных характеристик существующих цифровых линейных сигналов и линейного сигнала ДБК-ЧПИ;

• универсальная методика расчета помехозащищенности электрических цифровых линейных трактов;

• синтез и анализ преобразователей линейного кода ДБК-ЧПИ, обеспечивающего высокую пропускную способность электрических цифровых линейных трактов.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована цель работы. Проведен обзор результатов по теме, сформулирована науч-

ная новизна и практическая значимость основных результатов работы, дана характеристика отдельных разделов работы.

Первый раздел посвящен анализу известных способов построения электрических цифровых линейных трактов, стругаурно состоящих из преобразователей кодов, направляющей среды в виде электрического кабеля связи и регенератора.

В результате анализа сформулированы выводы о том, что каждый из компонентов электрических ЦЛТ может быть оптимизирован в плане повышения эффективности использования существующих на сети кабельных линий связи для передачи цифровых потоков создаваемых в настоящее время мультисер-висных сетей.

Эти выводы сводятся к следующим положениям:

1. Регенерация цифровых линейных сигналов осуществляется с использованием аналоговых способов обработки и восстановления сигналов, весьма далеких от оптимальных, что приводит к неоправданно значительным потерям помехозащищенности в регенераторах (от 4 до 12 дБ) и к существенному уменьшению длины регенерационного участка.

2. Линейные коды и сигналы, используемые в настоящее время для передачи двоичных цифровых потоков по электрическим цифровым трактам, не позволяют достаточно эффективно использовать существующие кабельные линии передачи внутризонового и местного участка первичной сети, в частности, не обеспечивается максимальная длина регенерационного участка при минимальном объеме и стоимости оконечного оборудования аппаратуры ЦСП.

3. Существующие методики расчетов длин регенерационных участков не учитывают характера совместного влияния собственных помех и помех от линейных переходов на помехозащищенность при передаче линейных сигналов по ЦЛТ с использованием электрического симметричного кабеля.

В последующих разделах диссертации рассматриваются способы и методы решения указанных проблем.

Во втором разделе решается задача оптимальной регенерации цифровых линейных сигналов. Для решения этой задачи обоснована возможность использования «асимптотической коррекции» для регенерации электрических сигналов, принципиально отличающаяся от методов регенерации, используемых в существующем оборудовании электрических ЦЛТ.

Современная Всемирная сеть связи, представляющая совокупность всех взаимоувязанных сетей связи на земном шаре, функционирует на основе цифровых методов передачи сигналов между элементами сети. Цифровые сигналы передаются по сети связи в виде оптических или электрических импульсных посылок с фиксированной длительностью и постоянной частотой следования. При этом направляющая среда любой формы или конфигурации в виде оптических волокон или электрических проводов характеризуется полосно-ограниченными передаточными характеристиками или, другими словами, финитными функциями в частотной области. В этом случае импульсные посылки конечной длительности на выходе направляющей системы искажаются по форме и их длительность стремится к бесконечности. Искажения передаваемых импульсных сигналов приводит к межсимвольным помехам, при их приеме и,

как одно из следствий, к ограничению дальности связи. Степень искажения цифровых импульсных сигналов при передаче их по полосно-ограниченным направляющим системам определяется формой импульсной реакции соответствующей системы. Известно, что при посимвольном приеме со стробированием, межсимвольных помех можно избежать, если импульсная реакция имеет вид:

где А - постоянная; С1о=2п/То~ частота, определяемая периодом следования символов цифровой информации То.

Стробирование производится в моменты времени, когда функция вида з'шх/х обращается в ноль. Однако такой импульсной реакцией обладает полос-но-ограниченная линейная система в виде идеального фильтра нижних частот (ФНЧ), с частотой По среза, который физически нереализуем.

Нижеследующее утверждение доказывает, что для любой физически реализуемой полосно-ограниченной линейной системы (с передаточной функцией в виде ФНЧ), можно сформировать импульсную реакцию, <освост» который асимптотически имеет вид функции эт х/х.

Доказательство базируется на теореме Нудельмана-Попова, которая формулируется следующим образом.

Теорема. Пусть - ограниченная, равная нулю вне интервала (-£2, Л) передаточная функция, дифференцируемая и - 1 раз, причем

кусочно-непрерывна и на интервалах непрерывности дифференцируема. Тогда при 1/1->оо асимптотическое представление для /(?) импульсной реакции имеет вид:

1+1 ( л Ч—' к

/0)ас =

Л/ >0

%

да у=о

(1)

где у (у=0,1 ,...,к) - точки разрыва (первого рода) Р(и-1Чсо);

+/[1ш^(',-О(+^+0)-1т/,('!-1)(±Пу-0)] -величина скачка в точках разрыва;

)=-агс1§[1шС(Йу )]/[ЫеС(£2у-)]. Доказательство.

Воспользуемся связью межцу импульсной реакцией и скачками передаточной функции и ее производных, которая применялась, для оценки скорости убывания

спектров импульсов при !а>|->оо. Для этого представим ^""'^(со) в виде суммы разрывной (кусочно-постоянной) и непрерывной 7*ил-^(<в) функций

(см.рис. 1),где -вещественна,и-четно:

При этом одна из функций, например, определяется с точностью до

постоянного слагаемого Далее находим

О (1<й

у=о

где 5(со±йу) - смещенная импульсная функция частоты; - ограниченная функция.

а&

Воспользовавшись последним соотношением, получаем

<_//)"/<<>=— ? ^(п)(со)Ла>= 271 -о

=— | 2[С(-Пу)8(со+Пу)+С(г2у)3((В-Пу)]е-/'е"</св+ (2) 271 -ш=0

(п-1)(с0) —- ...

-а -О.] с(п- 1){(ау £1 со

О со

V

-я £2 со

Рис. ¡.Представление в виде суммы разрывной !Чсо)

и непрерывной функций

Второй интеграл в (2) убывает при 1/1-»со по крайней мере, как 1Н, в то же время первый интеграл является неубывающей функцией времени:

2*-Ш=0 (3)

-¿¿[сс-оу^+с^у).^}

7=0

Поэтому, используя (2) и (3), пренебрегая членами более высокого порядка малости, находим, что при Ы-»со

2п у=о"

откуда следует

-—-• (4)

2к (-и)"

Исходя из того, что НеМсо) - четная функция, а 1т Г (со) - нечетная, нетрудно показать, что

C(-Qj)=(-1)"C(QJ). (5)

Используя (5) и обозначение <p(£2 j ), преобразуем (4) к виду

Z [ (-1 )и |С(£>; +|С(Пу )|<Г''ф("УVе'' ]

£ I с{ Çlj )|[ eia )/n> ) + ( -1 )" e~iaj yaj ) ]

_ 1 >0 1_

2% (-//)"

Из этого выражения следует соотношение (1).

На основании доказанной теоремы можно сформулировать следующие выводы:

1. «Хвост» импульсной реакции полосно-ограниченной линейной системы описывается выражением (1).

2. В том случае, если передаточная функция F(a) имеет разрывы функции или ее производных только на верхней частоте диапазона О, «хвост» импульсной реакции обладает эквидистантными нулями, отстоящими друг от друга на время тс/О. (подобно импульсной реакции «идеального фильтра нижних частот»).

3. Если разрыв передаточной функции или одной из ее производных имеет место только на частоте Qb fc = 1, то изменением «фазового» параметра скачка

<p(Qi) можно смещать во времени последовательность эквидистантных нулей «хвоста».

4. В общем случае, когда частоты Qj,j= 1,2, ..., к не являются кратными, нули «хвоста» импульсной реакции не эквидистантны.

5. В том случае, когда передаточная функция F(со) и ее производные не имеют точек разрыва, а частота, Q. оо «хвост» импульсной реакции линейной системы является монотонно убывающим и не имеет колебательного характера.

Результаты экспериментальной проверки подтверждают основные выводы теоремы об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем:

1. Импульсная реакция фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза Qcp (£2 = 2и-60 кГц) имеет «хвост», обладающий эквидистантными нулями отстоящими друг от друга на время n/Q.

2. Изменением фазового параметра на частоте cp(Qcp), передаточной функции ФНЧ при помощи перестраиваемого фазового контура можно смещать во времени последовательность эквидистантных нулей «хвоста», при этом смещение «хвостов» импульсной реакции может составлять во времени величину равную tc/2Q.

3. Импульсная реакция полосового фильтра, имеющего два разрыва производной передаточной функции на частотах £2НШ1 и QM31;C, принимает форму, состоящую из двух составляющих, асимптотически имеющих эквидистантные нули с интервалами во времени я/Пмн„ и n/Q^, а в сумме, в общем случае, не обладающую эквидистантностью.

4. Импульсная реакция симметричного кабеля связи, являющегося четырехполюсником с распределенными параметрами и не имеющего разрывов передаточной функции и ее производной имеет монотонно убывающий характер и не имеет свойств эквидистантности.

Важным практическим следствием теоремы и вытекающих из нее выводов является формулируемое ниже утверждение. При передаче импульсных сигналов /„с (t) с частотой следования

/т=1Ао

через полосноограниченную линейную систему передаточной функцией F (со), имеющей одну точку разрыва (или разрыва ее производной) на частоте Q] можно путем выбора параметров передаточной функции F (со) добиться выполнения равенства:

Qi=2n/T0.

В этом случае «хвост» импульсной реакции полосно-ограниченной линейной системы будет обращаться в ноль через интервал времени п/С1\. Таким образом, при посимвольном приеме со стробированием с частотой /т в моменты обращения «хвостов» импульсных реакций в ноль, можно избежать межсимвольных помех. Для выполнения условий оптимального приема (максимизации отношения сигнал/помеха) временное положение эквидистантных «хвостов» можно регулировать путем изменения только фазовой характеристики <p(£2i)

передаточной функции F(cй) при помощи, например, фазовых контуров, включенных каскадно с линейной системой.

Приведенные выше рассуждения позволяют сформулировать следующее утверждение: при передаче импульсных сигналов с постоянной скоростью по полосно-ограннченным линейным системам можно сформировать импульсные реакции последних таким образом, чтобы обеспечить минимум межсимвольных помех при приеме с посимвольным стробированием. Такой способ минимизации межсимвольных помех в дальнейшем называется асимптотической коррекцией.

Третий раздел посвящен вопросам оптимизации параметров регенератора с асимптотической коррекцией и его практической реализацией.

При рассмотрении вопросов оптимизации и реализации асимптотической коррекции необходимо иметь в виду, что эквидистантность «хвостов» импульсной реакции физически реализуемого фильтра нижних частот с частотой среза - {/(Офнч (или, другими словами фильтра-формирователя) наступает не сразу, а через некоторый интервал времени после достижения максимального значения импульсной реакции. Отсчетное значение максимальной амплитуды ¿/маю импульсной реакции можно назвать «главным» отсчетом £/„, а интервал времени, через который наступает открытый интервал времени эквидистантности Токв нулей «хвоста» через тактовый интервал Л/ -интервалом установления эквидистантности Туст, как показано на рис. 2. При этом отсчетные значения импульсной реакции на интервале Туст являются межсимвольной помехой при приеме последующих символов цифрового линейного сигнала - С/Псм.

Учитывая указанные обстоятельства, для реализации «асимптотической» коррекции при посимвольном приеме со стробированием цифровых импульсных посылок на выходе фильтра-формирователя, состоящего из каскадно включенных ФНЧ и фазового контура, необходимо обеспечить следующие условия, минимизирующие межсимвольные помехи:

(фильтра-формирователя)

- моменты сгробирования в регенераторе должны совпадать с «главным» значением импульсной реакции, для обеспечения максимальной помехозащищенности от помех, возникающих при передаче импульсных посылок по цифровому линейному тракту;

- моменты сгробирования на интервале должны совпадать с нулями «хвостов» импульсной реакции для обеспечения минимума межсимвольных помех;

- на конечном интервале времени установления эквидистантности Тусг необходимо реализовать алгоритмы, устраняющие влияние межсимвольных помех на достоверность восстановления символов принимаемого регенерируемого цифрового линейного сигнала.

Очевидно, что выполнение вышеперечисленных условий реализации асимптотической коррекции возможно лишь при выполнении процедуры ее настройки к параметрам цифрового линейного тракта, осуществляемой в автоматическом режиме.

Существенным недостатком цифровых систем передачи (ЦСП) с временным разделением каналов (ВРК) является значительная межсимвольная помеха, вызываемая интерферирующими «хвостами» импульсов цифрового потока, принимаемого на входе регенератора. Интерференционные помехи в ЦСП с ВРК могут быть устранены путем введения в систему передачи синхронизма по тактам. В этом случае импульсная реакция линейного тракта, представляющего собой каскадное включение линии передачи и фильтра-формирователя, должна обладать эквидистантными нулями (свойство отсчетности импульсной реакции на всей временной оси). Тогда отсчетные значения сигнала следует передавать в нулях импульсных реакций, вызываемых сигналами предшествующих во времени импульсных посылок. Однако и в этом случае неизбежные неточности в работе системы тактовой синхронизации приведут к межсимвольным влияниям. В некоторых работах рассматривался вопрос о выборе формы импульсной реакции (передаточной функции) группового тракта, минимизирующей межсимвольные влияния в ЦСП с ВРК при нестабильной работе системы тактовой синхронизации. Однако в важном практическом случае системы передачи с. ВРК и преобразованием временного масштаба (ВРК ПВМ) целесообразно оптимизировать не весь «хвост» импульсной реакции, а лишь его часть, отстоящую от главного отсчетного значения на некоторый временной интервал т. Как известно, в системе ВРК ПВМ для уменьшения межканальных помех предложено объединять последовательно идущие отсчеты с выходов индивидуальных каналов в пачки, «сжимать» эти пачки отсчетов при помощи запоминающих устройств во времени в я раз (и несколько превышает число каналов в ЦСП), передавать их по групповому широкополосному тракту, оставляя между пачками пустые («защитные») интервалы времени длительностью т, а на приеме проделывать обратные операции. В литературе имеется ряд указаний на эффективность и реализационную простоту системы ВРК ПВМ. Межканальные переходы в системе ВРК ПВМ возникают из-за влияния «хвостов» импульсных реакций, вызванных импульсами предшествующих во времени каналов и попадающих в интервал времени приема данного канала.

с асимптотической коррекцией

В данном разделе рассматривается алгоритм минимизации мощности межсимвольных помех, возникающих на выходе линейного тракта систем передачи с асимптотической коррекцией при нестабильной работе тактовой синхронизации, путем выбора формы передаточной функции фильтра-формирователя.

Отметим, что для устранения межканальных переходов (при идеальном синхронизме) необходимо, чтобы импульсная реакция тракта g(f) вне интервала (~ТУ„, Густ) обладала свойством отсчетности. Обозначим интервал времени между эквидистантными нулями такой функции <7 (г) через А/ (см. рис. 3) и предположим, что Гус1УЫ = 5+1, где 5 - целое число. Если соответствующая g(t) передаточная функция (?(/м)> определяемая соотношением

-со

равна нулю вне интервала частот (~П, £2), а интервал между нулями совпадает с интервалом Найквиста-Котельникова, т.е. Л? = 7г/£2, то <3(/и) может быть представлена на интервале (-£1, £1) в следующем виде:

с(уш)= ± аке-*»ш, (б)

где а/с~ вещественные числа.

В самом деле, отсчеты функции g(t) в моменты к&Х, к= 0, ±1, ±2,..., как известно, являются (с точностью до постоянного множителя) коэффициентами Фурье С(/м), так как

П

ё(Ш)=1/2к ] (7)

-П

а в силу сделанного выше предположения

g(kM) = 0 при ¿=±(.5+1), ±(^+2), ...,

откуда следует справедливость представления (6).

Варьируя коэффициенты а*, к = 0, ±1,..., ±у, в классе вещественных чисел, мы получим всевозможные передаточные функции тракта передачи системы с асимптотической коррекцией, которые обеспечивают отсутствие межсимвольных помех при условии точной работы тактовой синхронизации. Однако стоит фазе сггробирующих импульсов испытать небольшое возмущение, как появится нежелательная интерференционная помеха. Возникает вопрос о таком выборе передаточной функции типа (6), чтобы небольшое изменение моментов взятия

отсчетов (t=кAt+г, £=±(5+1), ±(.у+2)..... е - малое число) приводило к

появлению минимально возможной межсимвольной помехи.

При малом е для моментов времени t=kAt+г, А=±(.у+1), ±(.у+2), ..., выполняется

g(kAt+г)яg(Ш)+гdg(kAt)/d(Ш)=Eg'(kAt).

В связи с этим интенсивность межсимвольной помехи, возникающей из^-за ухода фазы стробирующих импульсов, будем оценивать величиной где

= £ [я'(Ш)]2. (8)

о 4=5+1

Чтобы избавиться от бесконечных сумм, перепишем последнее выражение следующим образом:

32= ± ичш)]2- £[я'(ш)]2.

В силу известного соотношения между мощностью сигнала с ограниченным спектром и суммой квадратов его отсчетов

52=1/д*]и'0)}2л- £|У(ш)]2. (9)

-00 к=-$

Далее находим

2

п

У© X ат

У<йтД<

-со -О

[а(/-т)Д/]2зт[п(/-»1)А/]+2[а(/-»1)Д?]со5[о(/-т)Д?]-25т[а(/-»г)Дг]

[(/-/иЫ3

I:[Я'(Ш)]2Л= х

Л ¿(зтСИ/т)12 X, ат —

=]/п2 Е Е а1атХ

{[па— ПДг]со5[па— /)Аг]-зт[П(/1-/)ДгЗ}{[П(А— щ)Аг]со51д(*-1{к-Ом]2[{к-т)м]2

Таким образом,

[и-/)Дг]2[и-т)Д*Г

л 2 $

¿=11 ЩатС[т

/=-5 т=-2

Опуская элементарные преобразования и учитывая, что Д?=тс/Л, определим вид коэффициентов в выражении (10):

г п . тс

X Вкт-Вы

к=-5

где

Дь»!

тс2/з,

гС-О7""1

, Ыт\

I (/-ш)2

0, к=п, (~1)к~п

-у-г, кФп, п=1,т.

(А—и)

Оптимальной будем считать такую передаточную функцию фильтра-формирователя (б), которая минимизирует величину 5 (а вместе с нею с!2) при дополнительном ограничении на энергию импульсной реакции g(t):

(П)

СО

Рис. 4. Передаточные функции Рис. 5. Импульсные реакции на выходе

фильтра-формирователя: фильтра-формирователя:

1 - при 5 = 1; 2 - при 5 = 2; 1 - при при 5 = 2;

3 - при «идеальном» фильтре НЧ 3 - при «идеальном» фильтре НЧ

Таблица 1. Влияние неточности тактовой синхронизации е2 на мощность межсимвольных помех (1г

82 *

«Идеальный» фильтр НЧ Оптимальная С?(/ю)

¿=1 s = 2

0,02Д* 1,316-10"3 0,584-10"5 0,664-КГ*

0,04Дг ч 5,264-10"3 2,192-10"5 2,658-Ю-3

0,08Д/ 21,055-10"3 8,768-10"5 10,630-10"8

I

При отсутствии ограничения (11) задача минимизации (10) имела бы тривиальное решение: а^ = 0, к = 0, ±1,..,, ±$.

Минимизация (10) при условии (11) сводится, как известно, к отысканию собственного вектора матрицы С с элементами С;ш; /, т = = 0, ±1,..., ±у, соответствующего наименьшему собственному значению. Числа я/, / = 0, ±1, ..., ±у, совпадающие с координатами этого собственного вектора матрицы С, доставляют искомый минимум выражению (10) (равный наименьшему собственному значению).

Для решения приводимого ниже примера использовалась стандартная программа отыскания собственных чисел квадратных матриц из библиотеки программ «МаШсасЗ».

Результаты численной минимизации (10) при условии (11) приведены на рис. 4 и 5 в виде графиков функции О (./со) (которая оказалась вещественной и положительной) при •у=1и.у = 2и соответствующих им импульсных реакциях (кривые 1 и 2). Для сравнения на рисунках также приведены передаточная функция и импульсная реакция «идеального» НЧ фильтра с частотой среза о. (кривая 3). (Отметим, что кривые 1 и 2 на рис. 5 на некоторых интервалах колеблются с «двойной» частотой. Этот факт, однако, не должен вызывать удивления: у сигналов с ограниченным спектром возможно появление некоторых нулей, отделенных друг от друга интервалами, меньшими интервала Найквиста-Котельникова Дл). Достигаемое за счет оптимального формирования функции G(j(o) подавление мощности межсимвольных помех с}2 иллюстрируется приводимой ниже табл. 1.

Таким образом, при помощи оптимального формирования передаточной функции фильтра-формирователя в системе с асимптотической коррекцией удается значительно уменьшить мощность межсимвольных помех, возникающих из-за неточной работы системы тактовой синхронизации. Например, при установке моментов стробирования на приеме с точностью ±0,08Д? мощность межсимвольных переходов в системе передачи с интервалом Ту„ = 2Дt (у = 1) на 24 дБ меньше, чем в системе с «идеальным» фильтром НЧ.

На практике оптимизация приведет к уменьшению влияния джиттера, возникающего при выделении тактовой частоты в устройствах пассивной фильтрации, на коэффициент ошибок, возникающих при передаче импульсных сигналов по цифровым линейным трактам.

Далее в разделе показано, что форма импульсной реакции на выходе фильтра-формирователя, полученная в результате решения задачи минимиза-

ции межсимвольных помех, возникающих из-за неточной работы системы тактовой синхронизации, аналитически описываются волновыми сфероидальными функциями ус,-(с,/), обладающими наибольшей концентрацией энергии на временном интервале (равному интервалу установления Ту„) среди всех передаточных функций фильтра-формирователя со спектром, сосредоточенным на интервале частот (-О, Г2).

В разделе приведен также вывод выражения, описывающего спектр межканальной помехи при сдвиге отсчетов при приеме импульсной реакции с выхода фильтра-формирователя на время гс:

"'ТёМе4^'* 1 8МеЧщА<

4(со)= ^ ----. (12)

к=тх £ gq(0)e~ial>At

д=-ео

Расчет энергетического спектра |^(ю)|2 межсимвольной помехи в системе с асимптотической коррекцией, определенного как:

|^(со)|2 ={[11е£(<в)]2 +[1ш4(ю)]2}

проводился на ЭВМ при числе отсчетов в «хвосте» импульсной реакции т-64 и числе тактовых интервалов, приходящихся на интервал времени установления, 5= 10.

Результат расчета энергетического спектра межсимвольных помех при расстройках фазы тактовой частоты на приеме на величину го±0,1Дг; ¿о±0>ЗДг, приведен на рис. 6 в виде кривых 1 и 2 соответственно.

Рис. 6. Энергетический спектр межсимвольных помех при регенерации с асимптотической коррекцией

При этом предполагалось, что <7(у'ш)=1, Ы<П и т\ =1, = 64. приведенные графики позволяют сформулировать вывод о том, что основная энергия межсимвольных помех сосредоточена около граничной частоты полосы пропускания фильтра-формирователя.

Далее в разделе рассматриваются возможности практической реализации регенератора с асимптотической коррекцией для минимизации межсимвольных помех.

Для реализации способа асимптотической коррекции в состав структурной схемы регенератора необходимо ввести фильтр нижних частот ФНЧ с подстраиваемой частотой среза и каскадно включенные: фазовый контур ФК с перестраиваемой характеристикой группового времени замедления ГБЗ, электронный ключ и схему вычитания, а также устройство настройки, вырабатывающего сигналы:' подстройки ^ ФНЧ - £/„<,дф; перестройки ГВЗ ФК - итдК; записи в запоминающее устройство отсчетов импульсной реакции на интервале Густ - ¡Ушп; настройки фазы стробирующих импульсов ВТЧ - £/„аст, запоминающее устройство, с функцией определенной выше, и устройство управления, вырабатывающее сигналы управления потакговым вычитанием из отсчетов принимаемого цифрового линейного сигнала конечного числа 5 отсчетов импульсной реакции на интервале Густ, приводящих к появлению межсимвольных помех.

Необходимость включения фильтра обусловлена тем обстоятельством, что период обращения в ноль «хвостов» импульсной реакции однозначно связан с частотой среза ФНЧ Гср:

т

-»нулей • ^ср

Таким образом, изменяя частоту среза фильтра можно добиться выполнения условия равенства Гцулен =7ти, где

Рт - частота следования символов группового цифрового сигнала.

При обеспечении условия совпадения моментов стробирования символов группового цифрового сигнала с нулями «хвостов» величина межсимвольных помех будет стремиться к нулю.

Однако, выполнение условия минимума помех в общем случае не совпадает с условием оптимального приема сигналов с посимвольным стробирование. Это условие заключается в том, что амплитуду импульсной реакции принимаемого сигнала необходимо стробировать в момент ее максимального значения -^снгмако. При этом в решающем устройстве РУ в момент стробирования происходит сравнение амплитуды принимаемого сигнала исигмш: с пороговым напряжением Срор, равным ¡Упор = £/сиг.мате/2 по следующему алгоритму:

^игмакс > С/пор, то восстанавливается импульсный сигнал, соответствующий «1»;

£4иг.макс < ^пор, то восстанавливается импульсный сигнал, соответствующий «О».

Для того, чтобы обеспечить одновременное выполнение условий оптимального приема и минимума межсимвольных помех на выход ФНЧ включается перестраиваемый ФК, при помощи которого изменяется временное положение нулей «хвостов» импульсной реакции до совпадения временного положения нулей с моментами «оптимального стробирования».

Всплеск характеристики ГВЗ фазового контура желательно иметь как можно более узким, чтобы исключить влияние изменения ФЧХ в полосе пропускания ФНЧ, а, значит, минимально исказить импульсную реакцию в области ее главного значения. Перестраивая пик ГВЗ в пределах от ?фМШ, до шка можно добиться того, что отсчеты «хвоста» импульсной реакции и-го сигнала, накладывающегося на (л + 1)-ый сигнал, будут браться в нулях «хвоста» (либо в моменты времени близкими к ним), тем самым сведя к минимуму межсимвольную помеху.

Приведенный выше алгоритм коррекции позволял бы устранить влияние межсимвольных помех, если бы «хвосты» импульсной реакции эквидистантно описывались на всех интервалах времени сразу после «главного» отсчета импульсной реакции принимаемого сигнала или другими словами эквидистантность нулей имела бы место сразу после «главного» отсчета.

На практике вследствие неидеальности характеристик ФНЧ на приеме импульсная реакция принимаемого сигнала на интервале времени ТуСт всегда будет иметь некоторое конечное число 5 не равных нулю отсчетов между «главным» отсчетом и «нулевыми» отсчетами в эквидистантных нулях «хвостов» импульсной реакции, которые приведут к появлению межсимвольных помех при приеме конечного числа последующих .импульсных сигналов.

Для устранения этого явления в состав структурной схемы регенератора вводится записывающее устройство, при помощи которого в процессе настройки происходит запоминание отсчетов импульсной реакции на интервале времени Ту„, а в рабочем режиме, под воздействием сигналов управления, поступающих с выхода устройства управления, осуществляется потактовое вычитание напряжения межсимвольной помехи из амплитуд «главных» отсчетных значений последующих принимаемых импульсных реакций символов группового цифрового сигнала.

Результат оптимизации параметров асимптотической коррекции и рассмотренный способ ее реализации позволяют сформулировать следующие вывода:

• оптимизация передаточной функции фильтра-формирователя в системе с асимптотической коррекцией позволяет значительно уменьшить мощность межсимвольных помех, возникающих из-за неточности работы системы тактовой синхронизации;

о при использовании «оптимального» фильтра-формирователя уменьшается влияние линейного джиттера на коэффициент ошибок при передаче импульсных сигналов по цифровым линейным трактам;

• системы асимптотической коррекции позволят сравнительно простыми техническими средствами эффективно подавлять и корректировать межсимвольные помехи;

• при синхронной передаче цифровых потоков по цифровым элестрическим линейным трактам, используя способ асимптотической коррекции, оказывается возможным свести к минимуму помехи от линейных переходов;

• при эффективной минимизации межсимвольных помех и помех от линейных переходов возможно увеличение длины регенерационных участков до предельных величин, полученных в S-ой главе и обусловленных влиянием только собственных помех.

В четвертом разделе решается задача синтеза цифровых линейных сигналов, обеспечивающих максимальную длину регенерационных участков. Для решения этой задачи произведено обоснование выбора кода ДБК-ЧПИ в качестве линейного сигнала для электрических цифровых линейных трактов.

Основными линейными сигналами ЦСП на местной и внутризоновой сети являются коды с чередованием полярности импульсов (ЧПИ) в СП ИКМ-120, ИКМ-30 и ИКМ-ЗОС, а также дуобинарный код (ДБК) в СП ИКМ-15. Известно, что полоса частот, в которой сосредоточена основная энергия таких сигналов, численно равна тактовой частоте цифрового сигнала.

Для уменьшения полосы частот основного «лепестка» энергетического спектра линейного сигнала предлагается использовать комбинированный код типа ДБК-ЧПИ. Алгоритм получения линейного сигнала с ДБК-ЧПИ показан на рис. 7 и заключается в следующем.

Сигнал с ДБК /(¿)дбк разбивается на две временные последовательности f\{t) и /гО) с ненулевыми элементами, имеющими длительность, равную одному тактовому интервалу At: Т[=Аt и двум тактовым интервалам Т2 = 2Д/. Каждая из последовательностей передается с чередованием полярности импульсов, образуя линейный сигнал ДБК-ЧПИ /(/)дбк-чпи- Причем длинные посылки сигнала ДБК (¿дбш')> длительностью, превышающей два тактовых ин-

№ mm

mm -ЧПИ

Mi)

Mt) А/2

■А/г

At 1 1ПП_П___ппп ,

1- „ >1«—J -Ы-4

п

иг

ли

ГЦ

ГЦ

Рис. 7. Временная диаграмма получения линейного сигнала ДБК-ЧПИ

тервала: гДбк;2Дг разбиваются на сумму элементов с длительностями, равными 2Дt, плюс, может быть, один (последний) элемент с длительностью Д*. В общем случае как последовательность f\(t) так и /2 О) может быть представлена в виде суммы элементарных трехуровневых посылок /э„(/) с общим размахом импульсов равным А на интервалах 7} и Те, показанных на рис 8, и суммы нулевых элементов foil) на интервалах Тщ и 7оя:

/l(/)-S/3nT1(/,7i)+£/o(/,7by); т,=Д/, М м

L М

/2(i) = S^T2(i,7/)+I/0a7,0m); Т2 = 2Д/,

/=1 т=1

где N, /i, L, JiL -> со; 7; + 7Ь, +7/=ь%от=/пердбк-чш1 ~ время передачи; Ti,Ti = nAt; /i=4,со; Гоу',Тот = рД/; р=0,со.

О, -Zk^Jk+A,...^, 2 2 2

2 2 2 2 2 О,

2 2 2 2 Zk-д, JEH^JU-^+lLl, 2 2 2 2 2

0, Zk-^+lLi^^Zk. 2 2 2

Энергетический спектр последовательностей f\(t) и /г(*) при передаче экстремальных сигналов, очевидно имеющих минимальный период следования Tj = Те=4 At и на интервалах передачи последовательностей /i (?) и /г(/) не имеющих нулевых элементов Toj=Tom =0: N

/1 )= s/эл^1 (f-(«-l)r); T=4At; ц=Дt,

И=1 £

(13)

/2 0)=Е/эл?2(МЫ):Г); Т=4Д*; t2=2& /=i

ЛОич 12

At

/4/2

/ЙЭЛТ!

XI

At

А/г

Рис. 8. Элементарные трехуровневые посылки

G( со/ш7) 1,5

1,0

0,5

0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 со/а Т

Рис. 9. Спектры плотности мощности линейных кодов

определяется в следующем виде:

дбк-чпи —

(14)

Расчет 5(со)дбк.чгш при Т=4Д/ и ¿1 =Л/, ¡2 =2Д/ показан на рис. 9 (здесь

Отметим, что при Т~2At, т=Д;/2 получим спектр плотности мощности сигнала с ЧПИ:

а при T=At, т=Д//2 спектр плотности мощности s-импульсных сигналов:

Результаты анализа, приведенные на рис. 9, позволяют сделать вывод о том, что основная мощность линейного сигнала ДБК-ЧПИ сосредоточена в полосе частот от 0 до сог/2, а максимум энергетического спектра имеет место на частоте &т/4.

Результаты спектрального анализа и моделирования алгоритмов формирования кода ДБК-ЧПИ позволяют, используя метод математической индукции, сформулировать следующие утверждения:

1. При формировании линейного кода ДБК-ЧПИ с контролем и управлением полярности на 3-х тактовых интервалах по алгоритму рассмотренному ранее, выражение для спектра мощности примет вид:

( . At V

V 2

( . At V

V 4 )

в((о/соТ)

ДБК-ЧПИ-3 (тЗ=ЗД£) ДБК-ЧПИ-3 (хг 2Д£) ДБК-ЧПИ-3 (Т1 = Д0

0,3 0,5 0,6 0,9 1,0 со/шГ

Рис. 10. Спектр плотности мощности линейного кода ДБК-ЧПИ-3

■5(со)дбк.чпи.з =

А2Т

< . (оТ ^

БШ-

_6.

& Т

6

( ■ V вт—со

I 3

при этом Т=6А(, Х[=Д/, Т2=2Д/, тз =ЗД/, где Д/ - длительность элементарной посылки на тактовом интервале.

Результаты расчета 5(со)дбк.ЧПи-з приведены на рис. 10. 2. При формировании линейного кода ДБК-ЧПИ с контролем и управлением полярности на т тактовых интервалах спектр плотности мощности имеет вид:

/

5,(со)дбк-ч

Л2Т

ап-

соТ 2т

(ОТ 2 т

■

БШ—Ш т

где Т= 2тМ, хь = Д/, 2М,..., тА1; г'=1,т.

Максимум спектра плотности мощности при этом смещается в низкочастотную часть спектральной характеристики направляющей среды. В случае использования металлического кабеля это означает, что километрическое затухание кабеля на максимуме энергетического спектра сигнала будет уменьшаться, а следовательно, длина регенерационного участка при использовании линейных кодов ДБК-ЧПИ-ти будет увеличиваться по сравнению с кодами ЧПИ при одинаковой скорости передачи цифровой информации.

Увеличение длины регенерационного участка с использованием линейных кодов ДБК-ЧПИ-/Я по сравнению с другими известными квазитроичными кодами (ЧПИ, НБВ-З) достигается за счет задержки во времени передаваемой информации и усложнением схемных реализаций преобразователей кодов на передаче.

Для сравнения эффективности линейных сигналов по пропускной способности произведено для нескольких типов линейных сигналов по показателю,

который можно назвать удельным транспортным коэффициентом линейного сигнала Кпс и определяемым, как отношение скорости передачи исходного двоичного сигнала Вдс к минимально-требуемой полосе частот цифрового линейного тракта Д^щ-л необходимого для его передачи с использованием данного линейного сигнала

v - Б/с/

Лтлс--—~ > /гп" Д^итл 71 ц

При этом минимальной допустимой полосой частот цифрового линейного тракта AF^, является ширина полосы частот основного «лепестка» энергетического спектра линейного сигнала, в которой, как известно, сосредоточена основная часть энергии линейного сигнала (от 90 до 95%).

В качестве вспомогательных показателей эффективности при классификации линейных сигналов рассматриваются также такие показатели, как его сбалансированность, частота максимума энергетического спектра.

В табл. 2 приводятся результаты сравнения наиболее распространенных линейных сигналов (AMI, HDB, CAP, 2B1Q, ДБК-ЧПИ) по предложенной классификации и делается вывод о наибольшей эффективности линейного кода вида ДБК-ЧПИ-т.

Линейный сигнал с кодом ДБК-ЧПИ-m имеет ряд преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время алгоритмами линейного кодирования, такими как ДБК, ЧПИ (AMI), МЧПИ (HDB-3), 2B1Q, QAM-M и САР-М, а именно:

- обладает наивысшей потенциальной помехозащищенностью при передаче элементарных посылок, особенно в сравнении с многоуровневыми и многопозиционными сигналами (2B1Q и САР-М), т.к. увеличение числа позиций кодирования приводит к пропорциональному уменьшению защищенности от всех видов помех;

Таблица 2. Сравнительная эффективность линейных сигналов

при транспортировке потока Е1 по электрическому ЦЛТ

Частота мак- Максимальное К ТЛС) Б/с/ /Гц

Тип линейного Полоса частот, симума энер- значение циф-

сигнала кГц гетического ровой суммы,

спектра, кГц бит

ДБК 0-S-2048 «0 00 1

ЧПИ 0-5-2048 1024 +1 1

МЧПИ 04-2048 1024 ±2 1

2B1Q 0*1024 512 —» ОО 2

ДБК-ЧПИ 04-1024 512 ±2 2

САР-16 ДБП; а = 1 04-1024 512 ±1 2

САР-16 ОБП; а = 1 0*512 512 ±1 4

ДК-ЧПИ-4 04-512 256 +10 4

- максимум энергии спектра плотности мощности выбором параметра т может быть смещен в низкочастотную часть спектральной характеристики направляющей среды, обеспечивая тем самым большую длину регенерационного участка по сравнению с другими двух- и трехуровневыми кодами (ЦБК, ЧПИ и МЧПИ);

- при сопоставимой (одинаковой) скорости передачи цифровых потоков передаваемых по ЦЛТ и длине регенерационного участка применение линейного сигнала ДБК-ЧПИ в сравнении с технологиями 2В1(} и САР-М не требует высокоэффективных систем коррекции и шумоподавления, что обуславливает более низкую себестоимость аппаратуры с ДБК-ЧПИ.

Последнее обстоятельство является чрезвычайно важным для рекомендации использования кода ДБК-ЧПИ в качестве линейного сигнала для организации цифровых линейных трактов внутризоновых и местных сстсй ВСС России, так как позволит «цифровизировать» существующие кабельные линии связи без значительных затрат на их реконструкцию.

В пятом разделе рассматривается возможность повышения эффективности использования цифровых линейных трактов с использованием кода ДБК-ЧПИ с применением предложенной в диссертационной работе методики расчета длины регенерационного участка.

Предложенная методика расчета длины регенерационного участка (в отличие от известных способов расчета), учитывает совместное влияние собственных помех и помех от линейных переходов и базируется на условии равенства допустимой защищенности Аз.дол и ожидаемой защищенности Л3 ож для максимальной длины регенерационного участка.

На основании приведенной методики были проведены расчеты для кодов: Манчестерский (биимпульсные сигналы), ЧПИ, 2В1<3, ДБК-ЧПИ и разных типов кабеля КСПП 1x4x0,9; ЗКП 1x4x1,2; стальная линия й=Ъ мм, а = 30 см. Результаты расчетов приведены на рис. 11 -13 и позволяют сформулировать следующие выводы: 1. Произведены расчеты длины регенерационных участков, для наиболее распространенных внутризоновых линий передач (КСПП, ЗКП, ВЛС) на скоростях (128-4096 кбит/с) для различных типов кодирования линейных сигналов, что позволяет решать практические задачи по созданию и усовершенствованию существующих средств связи.

V, кбит/с

Рис. 11. Длины регенерационных участков для кабеля КСПП 1x4x0,9 при АА ~ 4 дБ, для разных типов линейных сигналов в зависимости от скорости передачи

Манчестерский

ЧПИ

2B1Q

ДБК-ЧПИ

2000

4000 6000

V, кбит/с

Рис. 12. Длины регенерационных участков для кабеля ЗКП 1x4x1,2 при АА = 4 дБ для разных типов линейных сигналов в зависимости от скорости передачи

¿DVr км

ДБК-ЧПИ (-20 сухо) ДБК-ЧПИ (+20 сыро) ДБК-ЧПИ (изморозь) ЧПИ (-20 сухо) ЧПИ (-20 сыро) ЧПИ (изморозь)

0 100 200 300 400 500 600

V, кбит/с

Рис. 13. Длины регенерационных участков стальной линии d - 3 мм, а = 30 см при АА = 4 дБ, для разных типов линейных сигналов в зависимости от скорости передачи и погодных условий

2. На примере кабелей КСПП, ЗКП и ВЛС показано, что возможно увеличение в 2 раза скорости передачи сигнала по существующим цифровым линейным трактам, работающих на оборудовании с линейным кодом ЧПИ путем изменения линейного кода на ДБК-ЧПИ.

3. Показано, что применение кода ДБК-ЧПИ позволяет увеличить длину участков регенерации в 1,2-1,8 раза по сравнению с кодом ЧПИ.

4. Показано, что наибольший эффект замены кода с ЧПИ на ДБК-ЧПИ достигается на скоростях передачи 512-2048 кбит/с.

5. Показано, что наиболее высокая эффективность замены кода ЧПИ на ДБК-ЧПИ достигается для ВЛС при наиболее плохих погодных условиях (изморозь) и при увеличении скорости передачи сигнала эффективность замены кода снижается менее 10%.

6. При ухудшении характеристик аппаратуры (изменение защищенности в диапазоне 4-12 дБ) незначительно (менее 9%) сказывается на изменении длин регенерационных участков для всех скоростей передач. Влияние перекрестных помех на дальний конец незначительно (менее 1%) для рассмотренных видов кабелей.

Цифровой линейный тракт с использованием кода ДБК-ЧПИ реализован в серийно выпускаемой аппаратуре цифровой системы передачи ШШ-7ТМ.

Аппаратура обеспечивает организацию передачи, если цифровых каналов со скоростью передачи 64 кбит/с по цифровому линейного тракта с однока-бельной или двухкабельной схемой организации связи по симметричным высокочастотным кабелям типа ЗКП 1x4x1,2, МКС 1x4x1,2 и МКС 4x4x1,2.

Линейный код системы передачи ДБК-ЧПИ (дуобинарный код с чередованием полярности импульсов) с тактовой частотой 512 кГц. Амплитуда линейного сигнала на выходе регенератора на активной нагрузке 140 Ом составляет ±(2,3^-2,8) В.

Длина участка регенерации системы передачи на кабеле типа ЗКПЛх4х1,2, МКС 1x4x1,2 или кабеле другого типа с аналогичной амплитудно-частотной характеристикой от 0 до 15,0 км. (Затухание сигнала в кабеле до 40 дБ на полутактовой частоте.)

При двухкабельной схеме организации связи допускается увеличение длины регенерационного участка между двумя регенерационными пунктами до 17,5 км.

Полученные практические результаты подтверждают правильность расчетов, произведенных по предлагаемой методике и перспективность использования линейного кода ДБК-ЧПИ при организации цифровых линейных трактов внутризоновых и местных сетей связи.

Для реализации преобразователя кода с ДБК-ЧПИ предложена схема являющаяся универсальной в том смысле, что алгоритм ее работы позволяет pea-' лизовать формирование линейного сигнала с кодом ДБК-ЧПИ-m путем включения дешифраторов размерностью т.

Сравнительный анализ методов повышения эффективности использования действующих участков внутризоновой сети ВСС РФ с использованием кода ДБК-ЧПИ позволяют сделать следующие выводы:

• применение линейных кодов ДБК-ЧПИ позволяет существенно повысить длину регенерационных участков цифровых линейных трактов по сравнению с используемыми на сети двух- и трехуровневыми кодами;

в теоретически обоснованные коды ДБК-ЧПИ-w (т > 3) позволят еще более увеличить длину регенерационного участка, сопоставимую с технологиями САР;

• цифровые линейные тракты, предназначенные для передачи цифровых потоков El, могут быть модифицированы путем использования метода АДИКМ для кодирования речи и применения линейного кода ДБК-ЧПИ таким образом, что число цифровых каналов для передачи телефонной информации увеличивается в 4 раза по сравнению со стандартным потоком El;

• на существующих аналоговых линейных трактах кабельных и воздушных линий связи могут быть организованы цифровые каналы с помощью специализи-

рованных систем передачи с гибким мультиплексированием, причем число цифровых каналов будет определяться качественными параметрами существующих линейных трактов;

• для реализации специализированных ЦСП внутризоновых сетей существуют прототипы, выпускаемые в России;

• наиболее перспективным направлением внедрения рассмотренных методов является реализация их в рамках программы «Электронная Россия».

Заключение

В данной работе произведен достаточно подробный анализ принципов построения современных электрических цифровых линейных трактов и предложен ряд способов и методов, позволяющих повысить их эффективность для создания современных цифровых телекоммуникационных сетей с использованием существующих кабельных линий связи на внутризоновых и местных участках Взаимоувязанной сети связи РФ:

• доказана теорема об асимптотическом поведении импульсных реакций по-лосно-ограниченных линейных систем, обосновывающая возможность реализации асимптотической коррекции;

. предложен способ асимптотической коррекции и устройство для его реализации, позволяющий свести к минимуму межсимвольные и межсистемные влияния при передаче цифровых потоков по электрическим цифровым линейным трактам и обеспечить тем самым предельно достижимую длину ре-генерационных участков, обусловленную влиянием только собственных помех;

• произведенная оптимизация передаточных функций фильтра-формирователя в системе асимптотической коррекции, позволяет минимизировать величину межсимвольных помех, возникающих из-за неточностей работы тактовой синхронизации и уменьшить тем самым влияние линейного джиттера на величину коэффициента ошибок возникающего при передаче сигналов по цифровым линейным трактам.

• в качестве линейного сигнала предложен линейный код с дуобинарным кодированием и чередованием полярности импульсов (ДБК-ЧПИ), позволяющим существенно повысить длину регенерационных участков по сравнению с известными линейными кодами с ДБК и ЧПИ (МЧПИ);

• получены аналитические выражения, базирующиеся на неравенстве Коши-Буняковского, для «оценки сверху» энергетических спектров цифровых линейных сигналов и показывающие преимущества кода ДБК-ЧПИ;

• разработана и внедрена в серийно выпускаемую аппаратуру ИКМ-7ТМ схема преобразователя кода ДБК-ЧПИ;

• предложен новый класс линейных кодов типа ДБК-ЧПИ-ш, позволяющий значительно увеличивать длину регенерационных участков, по сравнению со всеми известными двух- и трехуровневыми линейными кодами и сравнимую (и даже превосходящую) с длинами участков регенерации по технологиям 2В1д, <ЗАМ и ТС-РАМ;

. разработана схема преобразователя кода для реализации алгоритмов ДБК-ЧПИ-т;

• предложена оригинальная методика расчета помехозащищенности в цифровых линейных трактах при совместном влиянии собственных помех и помех от линейных переходов на основе разработанной методики;

• произведен расчет предельно достижимых длин регенерационных участков для внутризоновых и местных сетей, показывающий значительный резерв в их возможном увеличении;

Список работ автора по теме диссертации

1. Системы электросвязи: Учебник для вузов. Под ред. В.П. Шувалова. - М.: Радио и связь, 1987. - 512 с. (Попов Г.Н. Глава 11. Цифровые системы передачи первичных сетей ЕАСС).

2. Попов Г.Н., Хазанов Г.Л., Заславский К.Е. Помехи и искажения в каналах и трактах АСП и ЦСП. Учебное пособие УМО. - Новосибирск, 1991. - 129 с.

3. Крук Б.И., Попов Г.Н. ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 1992. - 383 с.

4. Иванов В.И., Гордиенко В.Н., Попов Г.Н. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1995. - 232 с.

5. Попов Г.Н., Кулеша О.П. Расчет и измерение качественных показателей транспортной сета. Учебное пособие УМО. Новосибирск, СибГУТИ, 2002. - 103 с.

6. Крук Б.И., Попов Г.Н. ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь. Изд. 2-е, испр. - Новосибирск, 2001. - 260 с.

7. Попов Г.Н. Телекоммуникационные системы передачи PDH и SDH. Часть 1. Основы построения PDH. Учебное пособие. - Новосибирск, СибГУТИ,

2002.-203 с.

8. Телекоммуникационные системы и сети. Учебное пособие. Том 1. Под ред. В.П. Шувалова - Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком,

2003. - 647 с. (Попов Г.Н. Глава 8. Транспортные сети).

9. Битнер В.И., Попов Г.Н. Нормирование качества телекоммуникационных услуг. Учебное пособие УМО. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 310 с.

10. Крук Б.И., Попов Г.Н. ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 260 с.

11. Попов Г.Н. Телекоммуникационные системы передачи PDH и SDH. Часть 2. Основы построения SDH. Учебное пособие. - Новосибирск, СибГУТИ, 2003.-252 с.

12. Иванов В.И., Гордиенко В.Н., Попов Г.Н. Цифровые и аналоговые системы передачи. Изд. 2-е, испр. и доп.: Учебник для вузов. - М.: Горячая линия -Телеком, 2003. - 234 с.

13. Попов Г.Н. Основы построения цифровых линейных трактов и методы их оптимизации. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 119 с.

14. Нудельман П.Я., Попов Г.Н. Об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем. Радиотехника, 1978, № 11. - С. 89-90.

15. Нудельман П.Я., Попов Г.Н. Оптимизация формирующих устройств в многоканальной системе с временным разделением каналов и преобразованием временного масштаба. Сборник «Электронные цепи. Передача и обработка информации». Киев, 1979. - С. 4S-59.

16. Попов Г.Н., Вагинская ЕЛО. К оценке межканальных помех в системах передачи с временным разделением каналов и преобразованием временного масштаба. Сборник ТУИС (системы и средства передачи информации по каналам связи), Ленинград, 1982. - С 115-119.

17. Нудельман П.Я., Попов Г.Н. Об оптимизации передаточной функции группового тракта системы ВРК ПВМ с тактовой синхронизацией. Сборник ТУИС (теория передачи информации по каналам связи), Ленинград, 1982. -С. 109-113.

18. Попов Г.Н., Кожевников Д.В. Вопросы обеспечения высокого качества передачи сигналов цифрового звукового вещания на сельских телефонных сетях. Сборник трудов международной НТК «Проблемы функционирования информационных сетей», Новосибирск, 1991, С. 246-253.

19. Попов Г.Н. Электромагнитная совместимость при передаче аналоговых и цифровых сигналов по абонентским линиям ГТС. Сборник «Проблемы защиты СПИ от электромагнитных влияний на железнодорожном транспорте», Омск, 1991. - С. 29-33.

20. Попов Г.Н., Булгаков Б.В., Юриков Н.К., Егунов М.М., Колосов В .Я. Причины претензий к АМТС и рекомендации по их сокращению. Материалы международной НТК «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций, Новосибирск, 1997. - 6 стр.

21. Попов Г.Н., Кулеша О.П., Мапинкин В.Б., Хазанов Г.Л. Обоснование длины регенерационного участка. Материалы международного семинара «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Владивосток, 1998.-С. 103-107.

22. Shuvalov V.P., Popov G.N., Garmaev V.D. Analysis of Method for Upgrading the Efficiency of Interzonal Transmission Network. Proceedings EDM - 2002, 3th Annual, Vol. 2, Erlagol, 2001, pp. 6-7. IEEE Catalog № 02EX518.

23. Попов Г.Н., Шувалов В.П. Анализ методов повышения эффективности использования внутризоновой первичной сети связи. Сборник трудов - Сиб-дапьсвязь. - Новосибирск - Санкт-Петербург, 2002. - С. 25-26.

24. Попов Г.Н., Гармаев В.Д., Буинов П.А. Вхождение в глобальное информационное общество. Бурятский вариант. Инфосфера, 2002, № 3 [14]. - С. 15-16.

25. Shuvalov V.P., Popov G.N., Garmaev V.D. Entering the Global Information Society. Buryat Way. IEEE Communications Magazine. Global Communications Newsletter. March 2003, vol. 43, № 3, pp. 3-4.

26. Popov G.N. On a Possibility of Forming Pulse Responses of Band-Limited Linear Systems. IEEE Communications Letters (in print), 8 p.

27. Popov G.N. On a Possibility of Asymptotic Correction of Electric Digital Linear Paths. Proceedings EDM02003, 4th Annual, Erlagol, 2003, pp. 119-122. IEEE Catalog №03EX664.

28.

29.

30,

31.

32,

33,

34,

35,

36,

37,

38,

39,

40.

41,

42,

Popov G.N., Garmaev V.D., Gusev A.Y. Analysis of Spectral Characteristics of DBE-AMI Class Linear Codes. Proceedings EDM-2003, 4Л Annual, Erlagol, 2003, pp. 123-126. IEEE Catalog № 03EX664.

Popov G.N., Shuvalov V.P. Fundamentals of the Transport Network Functions. Proceedings of the 4th IEEE - Russia Conference, MEMIA 2003, Novosibirsk, 2003, pp. 68-77.

Ильиченко В.Ю., Нудельман П.Я., Попов Г.Н., Шмидель A.A. К определению межканальных помех в 12-канальном блоке с преобразованием временного масштаба. Депонированная рукопись № 3-5738, РЖ «Общетехническая серия», 1978, № 17. - 16 с.

Нудельман П.Я., Попов Г.Н. О расчете энергетического спекгра межканальных помех в системе передачи с преобразованием временного масштаба. Депонированная рукопись. БУ «ДР», ВИНИТИ, 1986, № 5. - 8 с. Попов Г.Н. Расчет качественных показателей многоканальнЬй системы передачи с узкополосными переносчиками. Депонированная рукопись, БУ «ДР», ВИНИТИ, 1988, № 10. - 14 с.

Попов Г.Н. О возможности формирования импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, 2003, № 13-В2003. - 7 с.

Попов Г.Н., Гусев А.Ю., Гармаев В.Д. О возможности повышения эффективности использования цифровых линейных трактов. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, 2003, № 10-В2003. - 11 с.

Попов Г.Н., Гусев А.Ю., Гармаев В,Д. Анализ спектральных характеристик линейных кодов класса ДБК-ЧПИ. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, 2003, № 1872-В2003. -11 с.

Попов Г.Н. Основы построения цифровых линейных трактов и способы их оптимизации. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, 2004, № 6-В2004. -119 с. Попов Г.Н. Устройство приема сигналов для многоканальной системы с защитным временным интервалом. Информ. листок № 422-92, ЦНТИ, Новосибирск, 1992. - 4 с.

Попов Г.Н. Устройство формирования канального сигнала с частотным уплотнением каналов. Информ. листок № 427-92, ЦНТИ, Новосибирск, 1992. -2 с. A.c. № 832749. Способ многоканальной связи с временным разделением каналов и устройство для его осуществления / Попов Г.Н., Нудельман П.Я., Балашов В.А., Криль С.С., Шмидель A.A., 1981. - 5 с. - Опуб. В БИ № 16, 30.04.1981.

A.c. № 1396286. Устройство формирования канального сигнала для многоканальных систем связи с частотным уплотнением каналов / Попов Г.Н., 1988. - 2 с. - Опуб. в БИ № 18 15.05.88 г.

A.c. № 1566499. Устройство для передачи и приема цифровых сигналов / Попов Г.Н., Малинкин В.Б., Кожевников Д.В., 1990. - 7 с. - Опуб. в БИ № 19 23.05.90г.

A.c. № 168704. Устройство приема сигналов для многоканальной системы с защитным временным интервалом / Попов Г.Н., Нудельман П.Я., Балашов В.А., Бондарев A.B., Парфенов Е. 23.10.91 г.

БИБЛИОТЕКА Сйегсрбур?

ССО £"Х

в БИ №39

43. Патент РФ № 1S38894. Приемник многочастотных сигналов 1 Попов Г.Н., Малинкин В.Б. Кожевников Д.В., Руин В.Н., 1992.-4 с. - Опуб. в БИ № 32 30.0S.93 г.

44. Патент РФ № 2064223. Приемник многочастотных сигналов / Попов Г.Н., Малинкин В.Б. Кожевников Д.В., Руин В.Н., 1996. - 4 с. - Опуб. в БИ № 20 20.07.96 г.

45. Заявка на изобретение № 2002113779. Способ организации мобильной радиосвязи с использованием контактной сети ж/д транспорта / Попов Г.Н., Сединин В.И. - 10 с.

46. Заявка на изобретение № 2003110190. Способ преобразования кода цифрового линейного тракта и устройство для его осуществления / Попов Г.Н., Гусев А.Ю., Гармаев В.Д. - 16 с.

47. Заявка на изобретение № 2004000137. Способ регенерации электрических цифровых сигналов и устройство для его осуществления / Попов Г.Н. -12 с.

48. Попов Г.Н., Кудрявцева Э.А., Хазанов Г.Л. Проект реконструкции участка первичной сети ВСС с использованием цифровых систем передачи. Методические указания. - Новосибирск, СибГУТИ, 2000. - 40 с.

49. Попов Г.Н., Кулеша О.П. Расчет некоторых качественных показателей транспортной сети SDH. Методические указания. - Новосибирск, СибГУТИ, 2001.-38 с.

50. Нудельман П.Я., Попов Г.Н. Межканальные помехи в МКСС с разделением во времени и преобразованием временного масштаба. Тезисы доклада. Всесоюзная НТК, Новосибирск, 1978.

51. Попов Г.Н. О возможности применения многоканальной системы передачи с преобразованием временного масштаба на сетях связи. Тезисы доклада. Региональная НТК, Новосибирск, 1980.

52. Попов Г.Н., Лелис Я.Ю. Об особенностях прохождения цифрового сигнала по коаксиальным кабелям. Тезисы доклада. Региональная НТК, Новосибирск, 1980.

53. Попов Г.Н. Некоторые методы сокращений избыточности речевых сообщений. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1981.

54. Попов Г.Н. Исследование возможности построения многоканальной системы передачи с узкополосными переносчиками. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1984.

55. Попов Г.Н. Разработка критериев качества многоканальных систем передачи. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1986.

56. Попов Г.Н., Кожевников Д.В. Исследование возможности использования дуобинарного кодирования с чередованием полярности единиц. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1988.

57. Попов Г.Н., Кожевников Д.В. Линейный сигнал с дуобинарным кодированием и чередованием полярности импульсов. Тезисы доклада. Межотраслевая НТК, УФА, 1989.

58. Попов Г.Н., Бондарев А.В. Исследование возможности использования асимптотической коррекции в многоканальных системах передачи с временным разделением каналов. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1989.

59. Попов Г.Н. Исследование спектральных характеристик линейных кодов цифровых систем передачи. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1989.

60. Попов Г.Н., Бондарев A.B. Двухуровневый линейный код для цифрового линейного тракта воздушных линий связи. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1990.

61. Попов Г.Н., Малинкин В.Б. Исследование путей построения двухпроводных цифровых линейных трактов. Тезисы доклада. Международная научная сессия, Москва, 1992.

62. Попов Г.Н., Кожевников Д.В. Разработка цифрового линейного тракта со скоростью передачи 512 кбит/с по одночетверочным кабелям. Тезисы доклада. Всероссийская НТК, Новосибирск, 1992.

63. Попов Г.Н., Хазанов Г.Л. К определению оптимальной длины регенераци-онного участка ДСП симметричного кабеля. Тезисы доклада. Всероссийская НТК, Новосибирск, 1992.

64. Попов Г.Н., Хазанов Г.Л. Расчет помехозащищенности в ДСП симметричного кабеля с учетом влияния собственных помех. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1993.

65. Попов Г.Н. О возможности применения кода 1ВЗВ на абонентском участке сети связи. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1993.

66. Попов Г.Н., Малинкин В.Б., Окороков И.В. Особенности построения цифрового линейного тракта со скоростью 512 кбит/с. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1993.

67. Попов Г.Н., Хазанов Г.Л. Метод оценки совместного влияния собственных помех и помех от линейных переходов в ДСП симметричного кабеля. Тезисы доклада. Российская НТК, Новосибирск, 1994.

68. Попов Г.Н. Исследование возможности работы систем передачи по нетиповым кабелям. Тезисы доклада. Материалы международной НТК, т. 2, Новосибирск, 1995.

69. Попов Г.Н. Исследование условий работы цифровых систем передачи по нетиповым кабелям. Тезисы доклада. 5-ая межрегиональная конференция, Москва - Новосибирск, 1995.

70. Попов Г.Н., Хазанов Г.Л. Методика определения оптимальной длины реге-нерационного участка ДСП для симметричного кабеля. Тезисы доклада. 5-ая межрегиональная конференция, Москва - Новосибирск, 1995.

71. Попов Г.И., Кураш Е.Ф. Разработка математической модели высокоскоростного цифрового линейного тракта для сетей доступа. Тезисы доклада. Региональная НТК, Новосибирск, 2001.

72. Попов Г.Н., Гармаев В.Д., Агеева Е.А. Эффективная модель цифрового линейного тракта для первичного цифрового потока El. Тезисы доклада. Международная НТК, Новосибирск, 2002.

73. Попов Г.Н., Гармаев В.Д. Об опыте использования линейных сооружений магистральных сетей для организации внутризоновой и местной сети. Тезисы доклада. Международный форум, Новосибирск, 2003.

74. Попов Г.Н., Гусев А.Ю. Некоторые практические аспекты применения асимптотической коррекции. Тезисы доклада. Международный форум, Новосибирск, 2003.

75. Попов Г.Н. К вопросу о классификации электрических цифровых линейных сигналов. Тезисы доклада. Российская НТК, Новосибирск, 2004.

ПОПОВ Георгий Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ И МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ЦИФРОВЫХ ЛИНЕЙНЫХ ТРАКТОВ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 23.04.2004, формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10, изд. л.2,'7,заказ №48, тираж ЮО.СибГУТИ 630102, Новосибирск, ул. Кирова

РНБ Русский фонд

М! 1т

Введение

1. Принципы организации электрического цифрового линейного тракта.

1.1. Источники искажений и помех в цифровом линейном тракте

1.1.1. Структура цифрового линейного тракта

1.1.2. Причины возникновения искажений и помех в электрических ЦЛТ

1.1.3. Способы оценки влияний искажений и помех

1.2. Регенерация линейных сигналов в ЦСТ.

1.2.1. Требования к линейным сигналам

1.2.2. Линейные коды в ЦСП

1.2.3. Регенерация линейных сигналов

1.3. Коррекция искажений в ЦЛТ

1.4. Влияние помех на качество передачи сигналов в ЦСП

1.4.1. Влияние собственных помех на вероятность ошибки при приеме цифрового сигнала

1.4.2. Влияние помех от линейных переходов на вероятность ошибки

1.4.3. Накопление помех в ЦЛТ

1.4.4. Влияние помех на размещение регенераторов в

Ф 2.2. Асимптотическое поведение импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем .113

2.3. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов .117

Список литературы .125

Приложение 2.1 .127 ф) 3. Вопросы оптимизации параметров асимптотической коррекции и ее практической реализации .130

3.1. Введение .130

3.2. Об оптимизации передаточной функции фильтра-формирователя в системе асимптотической коррекции .132

3.2.1. Задача выбора формы передаточной функции фильтра-формирователя .134

3.2.2. Результаты расчетов .138

3.3. Об оптимизации формы импульсной реакции на выходе фильтра-формирователя.142 Ш

3.4. Определение энергетического спектра межсимвольной помехи в системе с асимптотической коррекцией .153

3.5. Исследование возможностей реализации асимптотической коррекции для минимизации межсимвольных помех .158

Список литературы .

4. Обоснование выбора кода ДБК-ЧПИ в качестве линейного сигнала для электрических цифровых линейных трактов .172

4.1. Введение .172 д.

4.2. Постановка задачи и ее решение.174

Список литературы .188

Приложение 4.1 .191

Приложение 4.2 .192 5. О возможности повышения эффективности использования цифровых линейных трактов с использованием кода ДБК-ЧПИ .194

5.1. Введение .194

5.2. Анализ методов повышающих эффективность использования цифровых телекоммуникационных систем передачи .195

5.3. Методика расчета длины регенерационного участка .199

5.3.1. Определение допустимой защищенности от помех от линейных переходов для регенераторов ЦСП по симметричным кабелям .200

5.3.2. Определение ожидаемой защищенности от помех от линейных переходов для регенераторов ЦСП по симметричным кабелям .203

5.3.3. Определение допустимой и ожидаемой вероятности ошибки и защищенности для регенераторов ЦСП т по коаксиальным кабелям .204

5.3.4. Расчет длины регенерационного участка .205

5.4. Анализ результатов расчета длины регенерационного участка .208

5.4.1. Кабель КСПП 1x4x0,9 .208

5.4.2. Кабель ЗКП 1x4x1,2 .212

5.4.3. ВЛС .215

5.5. Некоторые аспекты практического применения линейного

• кода ДБК-ЧПИ .218

Список литературы.224

Приложение 5.1 .227

А.

Заключение .232

Список работ автора по теме диссертации .234

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. 18 июня 2003 г. Государственной Думой принят Федеральный закон «О связи» — открывающий новый этап в развитии российских телекоммуникаций, а именно, превращения российского общества на базе конвергентного объединения информации и телекоммуникации в электронно-информационное общество. При этом сетевой основой российских телекоммуникаций определена Единая сеть электросвязи (ЕСЭ), являющейся преемницей Взаимоувязанной сети связи (ВСС), создававшейся и развивавшейся в Российской Федерации с 1992 г. по 2003 г.

В общем составе сетей, входящих в ЕСЭ, сеть общего пользования (ОП) является доминирующей, обслуживает подавляющее число пользователей ЕСЭ и определяет устойчивость функционирования ЕСЭ в целом.

Существующее состояние сетей ОП характеризуется высокими темпами внедрения новых технологий — волоконно-оптические технологии, IP-телефония, подвижная связь и т.д. Вместе с тем, указанные позитивные процессы еще не охватили все сети, расположенные на территории страны. Поэтому сеть ОП России отличается крайней неравномерностью: наряду с передовыми технологиями на сети имеется большое количество устаревшего оборудования предшествующих поколений, на ней не внедрено универсальное обслуживание, имеется большое количество населенных пунктов, имеющих сеть ОП с использованием аналоговых технологий. В целом сеть ОП ЕСЭ еще не соответствует уровню сетей европейских и других развитых мировых стран.

Мировыми тенденциями в развитии сетей ОП являются: глобализация, т.е. объединение национальных сетей в мировые; конвергенция телекоммуникационных и информационных сетей и превращение их в инфокоммуникационные сети; интеграция сетей ОП и сетей ограниченного пользования с целью предоставления корпоративным и спецабонентам специфических услуг путем образования виртуальных частных сетей на базе сетей ОП.

Таким образом, имея в виду социальное, общественное и стратегическое значение сетей ОП, перспектива их развития должна стать главной задачей Администрации связи Российской Федерации.

Такой перспективой на данном этапе развития ЕСЭ следует считать переход к построению мультисервисных сетей с предоставлением любому пользователю на территории Российской Федерации как общедоступных услуг универсального обслуживания, так и новых, перспективных.

Под мультисервисной сетью понимается совокупность телекоммуникационных и информационных ресурсов, совместная эксплуатация которых направлена на удовлетворение потребностей пользователей в традиционных и перспективах инфокоммуникационных услугах. При преобразовании сетей связи общего пользования в мультисервисные основными функциями остаются передача и распределение информации.

В сфере передачи информации стратегическим направлением является дальнейший количественный рост пропускной способности используемых линий и узлов электросвязи за счет технологического развития оптических способов передачи и методов уплотнения по длине волны, переход к полностью оптическим сетям. Однако при разработке путей развития средств и методов передачи информации в сети ОП должны учитываться национальные отличия России, а именно: меньший уровень телефонизации и развития телекоммуникационных и информационных сетей; большое количество устаревшей аналоговой техники на сетях связи работающей по электрическим линиям связи; большая территория России, значительные расстояния, большая неравномерность плотности населения, развития связи и Интернета по регионам России; различия в состоянии экономики и в уровне благосостояния населения.

В этой связи актуальной проблемой представляется задача оптимизации существующих электрических цифровых линейных трактов (ЦЛТ) первичной сети ОП таким образом, чтобы их параметры по пропускной способности и дальности передачи информации были сопоставимы с соответствующими параметрами оптических цифровых линейных трактов PDH (по крайней мере на местном и внутризоновом участках первичной сети), а сами электрические ЦЛТ не подвергались бы при этом существенной реконструкции.

Важность решения поставленной задачи обусловлена тем обстоятельством, что в настоящее время значительная часть каналов и трактов местного и внутризонового участков первичной сети предназначенных для передачи цифровой информации формируемых мультисервисных сетей, организована с использованием электрических цифровых линейных трактов, достигая при этом в некоторых регионах (Западная, Восточная Сибирь, Забайкалье) 70-80% от общего объема передачи информации в сети ОП.

Очевидно, что электрические цифровые линейные тракты являются и, в будущем, будут являться существенной компонентой Единой сети электросвязи Российской Федерации. Поэтому данная диссертационная работа, посвященная исследованию и разработке способов и методов повышающих эффективность использования существующих электрических цифровых линейных трактов внутризоновых и местных первичных сетей ОП, представляется существенным вкладом в решение важной народно-хозяйственной задачи: создание современной мультисервисной сети ЕСЭ с возможностью эффективного вхождения в развивающееся Глобальное информационное общество (ГИО).

Цель и основные задачи исследования. Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и решению научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение — разработке способов и методов повышающих эффективность использования существующих электрических линейных трактов первичной сети ОП с целью развития современных мультисервисных сетей, предназначенных для удовлетворения потребностей населения, органов государственной власти и управления, обороны, безопасности, охраны правопорядка, а также хозяйствующих субъектов в услугах электросвязи. Устойчивая и качественная работа сети связи является важнейшим условием деятельности государства и общества.

Основной задачей диссертации, базирующейся на выполненных автором научных исследованиях, практическом обобщении имеющихся научных результатов и практического опыта, накопленного в процессе разработки отечественных ЦСП, является создание научных основ построения оптимальных электрических цифровых линейных трактов и практической методики их реализации, позволяющих достичь для существующих электрических ЦЛТ на местном и внутризоновом участках первичной сети параметров по дальности передачи сопоставимых с параметрами оптических ЦЛТ PDH, обеспечивая при этом минимальную стоимость оборудования ЦЛТ и минимальный объем работ по реконструкции.

С этой целью в диссертации: разработаны принципиально новые теоретические основы регенерации цифровых линейных сигналов, базирующиеся на доказанной автором теореме об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем, обосновывающей возможность асимптотической коррекции; предложен способ асимптотической коррекции и устройство для его реализации, позволяющие свести к минимуму межсимвольные и межсистемные влияния при передаче цифровых потоков по электрическим линейным трактам, обеспечивающий предельно достижимую длину регенерационных участков; произведена оптимизация параметров асимптотической коррекции, позволяющая минимизировать величину межсимвольных помех, возникающих из-за неточности работы системы тактовой синхронизации; предложен способ подавления межсимвольных помех возникающих при регенерации с асимптотической коррекцией; синтезирован новый класс линейных кодов с дуобинарным кодированием и чередованием полярности импульсов (ДБК-ЧПИ-ш), позволяющих повысить пропускную способность существующих цифровых линейных трактов; получены аналитические выражения, базирующиеся на неравенстве Коши-Буняковского, для оценки точности верхней границы энергетических спектров цифровых линейных сигналов; разработана методика расчета помехозащищенности в цифровых линейных трактах при совместном влиянии собственных помех и помех от линейных переходов; разработана методика расчета предельно достижимых длин регенерационных участков для внутризоновых и местных сетей, показывающая значительный резерв в их возможном увеличении;

• разработана и внедрена в серийно выпускаемую аппаратуру ИКМ-7ТМ схема преобразователя кода ДБК-ЧПИ;

• разработана универсальная схема преобразователя кода для реализации алгоритма кодирования ДБК-ЧПИ-ш.

Методы исследования. В диссертационной работе использован математический аппарат функционального анализа, теории матриц, теории сигналов, теории вероятностей и вычислительной математики. В процессе исследований широко использовалось имитационное моделирование на ЭВМ и физический эксперимент на макетах оборудования и блоках системы передачи.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

• доказана теорема об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем, устанавливающая связь между разрывами передаточной функции или ее производных с формой импульсной реакции на выходе линейной системы;

• решена задача оптимизации передаточной функции линейной системы, обеспечивающей максимальную концентрацию энергии импульсной реакции с эквидистантными нулями на заданной временном интервале;

• доказано утверждение о том, что в общем случае максимум концентрации энергии импульсной реакции с эквидистантными нулями на заданном временном интервале, обеспечивают передаточные функции линейных систем в виде вытянутых волновых сфероидальных функций;

• получено аналитическое выражение для энергетического спектра межсимвольных помех при передаче цифровых линейных сигналов по полосно-ограниченным линейным трактам;

• разработан и исследован алгоритм получения нового типа линейных сигналов ДБК-ЧПИ-ш и предложены способы его реализации;

• разработана универсальная методика «оценки сверху» распределения мощности энергетических спектров двух и трехуровневых цифровых линейных сигналов;

• разработана общая методика расчета помехозащищенности цифровых линейных трактах при совместном влиянии собственных помех и помех от линейных переходов.

Практическая ценность. Разработанный и исследованный в диссертационной работе принципиально новый способ регенерации двух- и трехуровневых цифровых линейных сигналов с использованием асимптотической коррекции теоретически позволяет значительно увеличить длину регенерационного участка. При этом максимальная длина участка регенерации с использованием линейного сигнала ДБК-ЧПИ значительно больше, чем для линейных кодов с ЧПИ и ДБК и ограничивается электрической прочностью кабеля связи, составляя при этом десятки километров, что сопоставимо с длиной регенерационного участка оптических систем передачи и означает возможность организации электрических ЦЛТ без промежуточных регенераторов.

Разработанный и исследованный в диссертации новый класс цифровых линейных кодов ДБК-ЧПИ-ш позволяет значительно (более чем в два раза) увеличить пропускную способность электрических ЦЛТ по сравнению с традиционными линейными сигналами в виде ЧПИ и ДБК и общепринятым алгоритмам регенераШ ции. При одинаковой пропускной способности применение кода ДБК-ЧПИ-ш обеспечивает значительно большую длину участка регенерации по сравнению с кодами ЧПИ и ДБК, и сопоставимую (и даже превосходящую) с длинами регенерационных участков по технологии 2B1Q, САР и ТС-РАМ, при этом сложность оборудования формирования и регенерации линейных сигналов с кодом ф ДБК-ЧПИ существенно меньшая чем в вышеперечисленных технологиях.

Реализация результатов. Проведенные исследования являются составной частью ряда хоздоговорных и госбюджетных НИР по созданию высокоэффективных цифровых линейных трактов, выполняемых с 1980 по 2002 годы на кафедре многоканальной электросвязи и оптических систем и на кафедре радиотехнических систем связи НЭИС - СибГАТИ - СибГУТИ:

• «Исследование принципов построения цифрового линейного тракта на воздушных линиях связи». № ГР 01870092834; инв. № 02880001055; 02890034475; 02900030346, 1987-1989 гг. Заказчик ЛОНИИС, г. Санкт-Петербург. Научный руководитель — Попов Г.Н.

• «Разработка приемо-передатчика абонентской линии ЭАТС-ЦА». No. ГР 01900034728, инв. № 02910017159, 1988-1990 гг. Заказчик— ЦНИИС, г. Москва. Научных руководитель — Попов Г.Н.

• «Изыскание теоретических и инженерных решений по созданию аналоговых и аналого-цифровых устройств для повышения эфф фективности использования кабельных линейных трактов цифровых систем передачи», 1987—1989 гг. Заказчик — КБ «Кабель», г. Уфа. Научный руководитель — Попов Г.Н.

• «Исследование и разработка цифровых систем передачи для або-Ф нентских линий городских и сельских телефонных сетей», 1985—

1986 гг. Заказчик — ЦКБ связи, г. Свердловск. Научный руководитель — Ситняковский И.В. Исполнитель — Попов Г.Н.

• «Исследование новых методик построения лабораторных узлов ЦСП и разработка их схемотехнических решений», 1990—1991 гг. Заказчик — НЭИС, г. Новосибирск. Научный руководитель —

Попов Г.Н. а также краткосрочных НИР выполнявшихся по заказам ОАО «Электросвязь», г. Новосибирск (1996, 1999 гг.), ООО «Сибирские сотовые системы-900», г. Новосибирск (2000 г.), ОАО «Интертел-Сибирь», г. Новосибирск (2002 г.). В серийно выпускаемой аппаратуре ИКМ-7ТМ используется линейный код ДБК-ЧПИ, разработанный и исследованный автором в 80-е годы XX века. Результаты некоторых исследований используются в учебном процессе Межрегионального центра переподготовки специалистов СибГУТИ.

Использование результатов исследований и разработок подтвер-• ждено соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, докладывались и обсуждались на:

• Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности сетей связи и их элементов» (Новосибирск, 1978 г.);

• Региональной НТК, посвященной Дню радио (Новосибирск, 1980 г.); ф • Всесоюзной НТК «Проблемы развития цифровых систем передачи городских и сельской сетей связи на основе электрических волоконно-оптических кабелей» (Москва, 1987 г.);

• Межотраслевой НТК (Уфа, 1989 г.);

Международной НТК «Проблемы функционирования информационных сетей» (Новосибирск, 1991 г.);

Российской НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1994 г.);

Межрегиональной НТК «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи» (Москва—Новосибирск, 1995 г.); Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1997 г.);

Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1998 г.);

Международном семинаре «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций» (Владивосток, 1998 г.); Региональной НТК «Наука, техника, инновации» (Новосибирск, 2001 г.);

Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2002 г.);

Международном семинаре «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций (Санкт-Петербург, 2002 г.); Международном форуме «Новые инфокоммуникационные технологии: достижения, проблемы, перспективы» (Новосибирск, 2003 г.);

Международных НТК «Siberian Russian Workshop on of Electron Devices and Materials - EDM-2002, EDM-2003» (Эрлагол, 2002, 2003 гг.);

Международной НТК «2003 Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications — MEMIA 2003» (Новосибирск, 2003 г.);

Ежегодных областных НТК, посвященных Дню радио (Новосибирск, 1980-2004 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ, из них:

14 учебников, учебных пособий и монографий (в том числе 8 в издательствах «Радио и связь» и «Горячая линия — Телеком», г. Москва);

22 статьи (в том числе 12 в центральных изданиях, международных сборниках и изданиях IEEE);

И авторских свидетельств, патентов, заявок и информационных листов на изобретения (в том числе б авторских свидетельств и патентов);

28 тезисов докладов (в том числе 17 на Международных, всесоюзных и региональных конференциях, семинарах и форумах).

Предыстория исследований. Среди основополагающих работ, относящихся к решению основной задачи теории и практики связи, заключающейся в повышении эффективности использования каналов и трактов систем передачи информации, следует отметить труды:

A.И. Величкина, М.Д. Бенедиктова, Л.А. Коробкова, Г.Г. Меньшикова, М.В. Назарова, В.А. Погрибного, Ю.Н. Прохорова, Б.Е. Трофимова — по развитию теоретических и прикладных вопросов кодирования речевого сигнала;

Ю.С. Лезина, Н.Т. Петровича, О.Н. Порохова, Л.М. Поляк, И.В. Ситняковского, В.О. Шварцмана, А.Г. Зюко, А.И. Фалько, В.П. Шувалова — в области теоретических основ и принципов построения кодеков каналов связи;

B.Н. Гордиенко, В.П. Кокошина, Р.Е. Кричевского, Б.Я. Ряб-ко, В.К. Трофимова, В.Г. Учера, В.А. Шура по разработке методов увеличения пропускной способности каналов и трактов за счет статистического сжатия информации;

В.Л. Банкета, Э.Б. Блоха, В.В. Гинзбурга, В.А. Зиновьева, В.В. Зяблова, В.И. Коршика, К.А. Мешковского, Э.А. Немиров-ского по разработке теории сигнально-кодовых конструкций;

В.А. Киселя, В.В. Лебедянцева, Д.Д. Кловского, С.А. Курици-на, В.К. Маригодова, П.Я. Нудельмана, В.В. Шахгильдяна, Я.З. Цыпкина по проблемам оптимизации сигналов и адаптивной коррекции при передаче сигналов по каналам и трактам;

Н.Г. Загоруйко, А.А. Пирогова, М.А. Сапожкова — по исследованию статистических характеристик речи;

Ю.А. Алексеева, А.Н. Голубева, В.П. Кокошкина, М.С. Левина, И.А. Лозового, A.M. Меккеля, Ю.А. Парфенова, М.У. Поляка, М.А. Плоткина в области практических разработок отечественных ЦСП.

Наряду с отечественными учеными большой вклад в развитие основной задачи по высокоэффективной передаче цифровой информации внесли публикации и работы таких видных зарубежных специалистов, как Дж. Беллами, Б.П. Латхи, Р. Стил, Д. Слепян, Дж. Спилкер, Л. Рабинер, Р. Крогер, К. Катлер и др.

Часть исследований и практических разработок выполнялась автором совместно с П.Я. Нудельманом, В.П. Шуваловым и с аспирантами: Е.Ю. Вагинской, Д.В. Кожевниковым, В.Д. Гармаевым и А.Ю. Гусевым.

Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

• доказательство теоремы об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем;

• синтез и анализ регенератора с асимптотической коррекцией, определение основных характеристик его работы; оптимизация параметров регенератора с асимптотической коррекцией; универсальный алгоритм по подавлению межканальных помех и помех от линейных переходов; синтез линейных кодов ДБК-ЧПИ, повышающих пропускную способность существующих электрических цифровых линейных трактов; сравнительный анализ спектральных характеристик существующих цифровых линейных сигналов и линейного сигнала ДБК-ЧПИ; универсальная методика расчета помехозащищенности электрических цифровых линейных трактов; синтез и анализ преобразователей линейного кода ДБК-ЧПИ, обеспечивающего высокую пропускную способность электрических цифровых линейных трактов.

Выводы по главе 1

1. Линейные коды и сигналы, используемые в настоящее время для передачи двоичных цифровых потоков по электрическим цифровым трактам, не позволяют достаточно эффективно использовать существующие кабельные линии передачи внутризонового и местного участка первичной сети, в частности, не обеспечивается максимальная длина регенерационного участка при минимальном объеме и стоимости оконечного оборудования аппаратуры ЦСП.

2. Регенерация цифровых линейных сигналов осуществляется с использованием аналоговых способов обработки и восстановления сигналов, весьма далеких от оптимальных, что приводит к неоправданно значительным потерям помехозащищенности в регенераторах (от 4 до 12 дБ) и к существенному уменьшению длины регенерационного участка.

3. Существующие методики расчетов длин регенерационных участков не учитывают характера совместного влияния собственных помех и помех от линейных переходов на помехозащищенность при передаче линейных сигналов по ЦЛТ с использованием электрического симметричного кабеля.

В последующих главах рассматриваются способы и методы решения указанных проблем.

1. Крук Б.И., Попов Г.Н. .И мир загадочней за занавесом цифр. Цифровая связь. — Новосибирск.: Церис, 2001. — 384 с.

2. Былянски П., Ингрем Д. Цифровые системы передачи», перевод с англ. / под редакцией А. А. Визе ля. — М.: Связь, 1980. — 360 с.

3. NYQVIST, Н.: Certain topics in telegraph trasidmission theory. Trans AIEE, 1928, 47 pp. 617-644.

4. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. — М.: Госэнергоиздат, 1956.

5. Харкевич А.А. О теореме Котельникова (обзор некоторых работ). — Радиотехника, 1958. — № 8.

6. Шеннон К. Математическая теория связи. — В кн.: Работы по теории информации кибернетики. М.: ИЛ., 1963. — с. 243-332.

7. Скалин Ю.В., Бернштейн А.Г., Финкевич А.Д. Цифровые системы передачи. — М.: Радио и связь, 1988, 272 с.

8. Гитлиц М.В., Лев А. Ю. Теоретические основы многоканальной связи. — М.: Радиосвязь, 1988. — 272 с.

9. Иванов В.И., Гордиенко В.Н., Попов Г.Н. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для ВУЗов. — М.: Радио и связь, 1995. 232 с.

10. Зингеренко A.M. , Баева Н.Н., Тверецкий М.С. Системы многоканальной связи. — М.: Связь, 1980, 439 с.

11. Многоканальные системы передачи. Под редакцией Н.Н. Баевой и В.Н. Гордиенко. — М.: Радио и связь, 1997, 560 с.

12. Ситняковский И.В., Порохов О.Н., Нехаев А.Л. Цифровые системы передачи абонентских линий. — М.: Радио и связь, 1987. — 216 с.

13. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Радио и связь, 1991. — 480 с.

14. Цифровая и вычислительная техника. Под ред. Евреинова ЭВ. — М.: Радио и связь, 1991. — 459 с.

15. Попов Г.Н., Заславский К.Е., Хазанов Г.Л. Помехи и искажения в каналах и трактах АСП и ЦПС. — Новосибирск, НЭИС, 1991. — 130 с.

16. Прагер Э., Шимек Б., Дмитриев В.П. Цифровая техника в связи. — М.: Радио и связь, 1981. 280 с.

17. Цифровые системы передачи. Пер. с польского Визеля А.А. под ред. Романова В.Д. М.: Связь, 1979. - 290 с.

18. Баева Н.Н. Многоканальная связь и РРЛ. М.: Радио и связь, 1988. 312 с.

19. Левин Л.С., Плоткин М.А. Цифровые системы передач. М.: Радио и связь, 1982. — 216 с.

20. Системы электросвязи. Под ред. Шувалова В.П. — М.: Радио и связь, 1987. 512 с. (Попов Г.Н. гл. 16).

21. Крук Б.И., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети. Т. 1. Учебное пособие. — М.: Горячая линия — Телеком, 2002. — 512 с. (Попов Г.Н. гл. 8).

22. Парфенов Ю.А., Мирошников Д.Г. «Последняя миля» на медных кабелях. — М.: Эко-Трендз, 2001. — 280 с.

23. Беллами Дж. Цифровая телефония. — М.: Радио и связь, 1986. — 544 с.

24. Попов Г.Н. Телекоммуникационные системы передачи. Часть 1. Основы построения PDH. Уч. пособие. — Новосибирск, 2002. — 204 с.

25. Иванов ВИ Гордиенко В.Н., Попов Г.Н. Цифровые и аналоговые системы передачи. Изд. 2-ое испр. и доп.: Учебник для вузов. — М.: Горячая линия — Телеком, 2003. — 234 с.

26. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ «АСИМПТОТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ» ПРИ РЕГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ21. Введение

27. Нижеследующее утверждение доказывает, что для любой физически реализуемой полосно-ограниченной линейной системы (с передаточной функцией Ню) в виде ФНЧ), можно сформировать импульсную реакцию, «хвост» который асимптотически имеет вид функции sin л:/*.

28. Асимптотическое поведение импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем

29. Доказательство базируется на теореме Нудельмана-Попова 2., которая формулируется следующим образом.

30. C(±Qy) = (±Qy + 0) F("-1} (±Qy - 0) = = Re F(n1) (±Qy + 0) - Re F(n1) (±Qy - 0). + +z[lmF("1)(±Qy + 0) - ImFinA) (±Qy - 0)] - величина скачка

31. F("-1)(eo) в точках разрыва;cp(Qy) = -arctgImC(Qy)/ReC(Qy).1. Доказательство.

32. При этом одна из функций, например, Fp("1)(ca) определяется с точностью до постоянного слагаемого Далее находимсо) = Рр("-1} (со) + FH(n1) (со).1. Т л\ * /7 /лdd/d®)Fnn ^(со) — ограниченная функция.

33. Воспользовавшись последним соотношением, получаем-it)n f(t) = — "f F(n) Ше}(°Ыа) =f ---N -Q -Clj 1 Щ Q оз1 Q со1. Гн(П"1}(®) -Q "Ч Q со

34. Рис. 2.1. Представление F(n-1H©) в виде суммы разрывной F^n-1)(co)и непрерывной (со) функций

35. Второй интеграл в (2.2) убывает при \t\ -> с» по крайней мере, как 1/1, в то же время первый интеграл является неубывающей функцией времени:1 k

36. J J. C(-Qy )5(со + Qy) + C(Qy )б(со Qy)] e1 dm =2.3)271 yo

37. Поэтому, используя (2.2) и (2.3), пренебрегая членами более высокого порядка малости, находим, что при |£| -> оо-itrf(t)ас = f £ с(-aJ)e'in'' + С(П,) е'а><' ^ у=ооткуда следуетf(t)ac=±M- -. (2.4)2тс (~it)n

38. Исходя из того, что Re-F(co) — четная функция, a ImF(co) — нечетная, нетрудно показать, что

39. C(-Qy) = (-l)"C(Qy). (2.5)

40. Используя (2.5) и обозначение cp(Qy), преобразуем (2.4) к виду•Шас = -Lm-=1 2тг {-it)n|C(Q +(-1)" )/"/).1 У=о 32п (-it)n

41. Из этого выражения следует соотношение (2.1). На основании доказанной теоремы можно сформулировать следующие выводы:1. «Хвост» импульсной реакции полосно-ограниченной линейной системы описывается выражением (2.1.)

42. Если разрыв передаточной функции или одной из ее производных имеет место только на частоте Qi, к = 1, то изменением «фазового» параметра скачка cp(Qi) можно смещать во времени последовательность эквидистантных нулей «хвоста».

43. В общем случае, когда частоты О/, j = 1, 2, ., k не являются кратными, нули «хвоста» импульсной реакции не эквидистантны.

44. В том случае, когда передаточная функция F(со) и ее производные не имеют точек разрыва, а частота, Q -» оо «хвост» импульсной реакции линейной системы является монотонно убывающим и не имеет колебательного характера 4, 5.

45. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов

46. Для проверки выводов теоремы Нудельмана-Попова использовалась лабораторная установка, структурная схема которой приведена на рис. 2.2.

47. Результаты экспериментальной проверки приведены на рис. 2.3 — 2.6 и подтверждают основные выводы теоремы об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем:

48. Импульсная реакция фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза QCp (fi = 271-60 кГц) имеет «хвост», обладающий эквидистантными нулями отстоящими друг от друга на время я/Q.

49. Рис. 2.3. Импульсная реакция ФНЧ с частотой среза Qi

50. Рис. 2.4. Импульсная реакция ФНЧ и каскадно включенногофазового контура1. WjtttjWtfHtt1. Wjtttt1. HttjHttttttfHtt

51. Рис. 2.6. Импульсная реакция на прямоугольный импульсв кабельной линииФ

52. Как видно из сравнения рис. 2.3 и 2.4 по вертикальной метке маски осциллографа, смещение «хвостов» импульсной реакции может составлять во времени величину равную it/2Q.

53. Как видно из рис. 2.5 для полосового фильтра с QMHH = 2л-0,3 кГц и Омакс = 271-3,4 кГц соотношение периодов двух составляющих импульсной реакции равно 1:11 (также как и соотношение крайних частот).

54. Латхи Б.П. Системы передачи информации. М.: Связь, 1971. — 320 с.

55. Нудельман П.Я., Попов Г.Н. Об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем. Радиотехника, т. 33, № 11, ноябрь 1978. — 89-90 с.

56. Котельников В.А., Николаев A.M. Основы радиотехники, ч 1, М.: Связьиздат, 1950.

57. Былянски П., Ингрем Д. Цифровые системы передачи. М.: Связь, 1980. 360 с.

58. Попов Г.Н., Лелис Я.Ю. Об особенностях прохождения цифрового сигнала по коаксиальным кабелям. Тезисы доклада. Региональная НТК, Новосибирск, 1980.

59. Попов Г.Н., Бондарев А.В. Исследование возможности использования асимптотической коррекции в многоканальных системах передачи с временным разделением каналов. Тезисы доклада. Областная НТК, Новосибирск, 1989.

60. Попов Г.Н. О возможности формирования импульсных реакций по-лосноограниченных линейных систем. Деп. рукопись. ВИНИТИ, № 13-В2003, 7 с.

61. Попов Г.Н., Гусев А.Ю. Некоторые практические аспекты применения асимптотической коррекции. Тезисы доклада. Международный форум, Новосибирск, 2003.

62. Popov G.N. On a Possibility of Asymptotic Correction of Electric Digital Linear Paths. EDM-2003, Novosibirsk, 2003, pp. 119-122. IEEE Catalog No. 03EX664.

63. Popov G.N. On a Possibility of Forming Pulse Responses of Band-Limited Linear Systems. IEEE Communications Letter S. (В печати), 8 p.

64. Хазанов Г.Л. Реализация перестраиваемых активных RLC-фазовых контуров с операционным усилителем. Вопросы радиоэлектроники. Техника проводной связи, 1974, вып. 4.