ХАРКІВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

Корсунов Анатолій Рувімович

УДК 621.396.781(014)

Дослідження технічних суперечностей та їх вирішення на ранніх етапах розробки цифрових регуляторів параметрів сигналу в телекомунікаційних системах

05.12.02-Телекомунікаційні системи та управління ними

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Ягуп Валерій Григорович

УІПА, професор кафедри АРЕ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Поповський Володимир Володимирович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки ;

кандидат технічних наук, Галаєв Юрій Михайлович, Інститут радіофізики та електроніки НАН України, м.Харків, старший науковий співробітник.

Провідна установа

НВО "Хартрон" Міністерство промислової політики України, м. Харків (відділ №17020)

Захист відбудеться " 17 " квітня 2001 р. о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 64.820.01. у Харківській державній академії залізничного транспорту, 61050, м. Харків, пл. Фейербаха, 7

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківської державної академії залізничного транспорту.

Автореферат розісланий 16.03.2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _______________ Книгавко М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За той період, коли Україна досягла самостійності, відбулись значні зміни в суспільстві та науково-технічних сферах. Особливо це помітно в системах телекомунікацій, в яких, можна сказати, відбувся якісний перехід до нових інформативних технологій.

Проблема управління параметрами сигналів телекомунікаційних систем на несучій частоті вирішується взагалі аналоговими методами шляхом окремо виконаних напівпровідникових регуляторів. Зрозуміло, що подібні засоби формування параметрів сигналів неспроможні ввійти в коло методів цифрового та мікропроцесорного керування, властивих для епохи загальної комп`ютеризації телекомунікаційних систем.

Використання цифрових методів в даній сфері має ряд переваг в зрівнянні з аналоговими методами, зокрема, дає можливість сформувати сигнали управління в форматі цифрових кодів, що дозволяє вказані пристрої об`єднати в загальний комплекс комп`ютерного керування, відпадає необхідність в використанні сопрягаючих пристроїв, що веде до зниження матеріальних витрат і до підвищення надійності систем.

Оскільки експериментальне дослідження цифрових регуляторів пов`язано з необхідністю включатись в телекомунікаційні лінії з неперервним режимом роботи, то на етапі проектування особливий інтерес викликає розробка перш за все методик, алгоритмів та структур фізичного і комп`ютерного моделювання напівпровідникових цифрових регуляторів, виявлення при цьому протиріч в їх функціонуванні і створення на цих засадах розрахункових методів та реальних напівпровідникових цифрових регуляторів, пристосованих зокрема до самотестування, оскільки телекомунікаційні канали працюють в значних просторових та часових межах.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, наведені в дисертаційній роботі, отримані при виконанні НДР за науково-дослідницькою тематикою кафедри "Автоматика та радіоелектроніка" УІПА та на базі хоздоговірних тематик "Гамма", г/д №81-91, г/д №80-23, "Шацк- МРП", г/д №77-23, договір № 43/80, госбюджетна робота за тематикою вищої школи "Нові інформаційні технології та їх використання в навчальному процесі кафедри Автоматики і радіоелектроніки" №6-13 в період 1996 -2000 р.р. Автор дисертації приймав безпосередню участь у виконанні вказаних робіт, був їх виконавцем, та відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методик вирішення технічних протиріч, виникаючих при проектуванні цифрових регуляторів параметрів телекомунікаційних каналів та сигналів, з урахуванням електродинамічного стану регуляторів, з їх допомогою створення та дослідження структурних схемотехнічних рішень і спосібів керування електронними регулюючими пристроями з контролем їх стану і на цій основі підвищення ефективності і надійності цифрових регуляторів параметрів інформаційних сигналів в телекомунікаційних системах. Досягнення поставленої мети потребує вирішення наступних задач:

·

· розробка методик розрахунку процесів маштабування, підтримки рівня сталої потужності та постійної чутливості в архітектурах телекомунікаційних каналів, де розповсюджуються інформаційні сигнали, різні за своєю інтенсивністю;

· проведення числових і фізичних експериментів та аналіз одержаних результатів з метою вибору режимів роботи цифрових регуляторів параметрів телекомунікаційних каналів, з урахуванням виявлених технічних протиріч;

· розробка принципів цифрового відображення регулюючих характеристик;

· створення та дослідження фізичних та математичних моделей елементів, що електронно управляються (ЕКЕ) та цифрових регуляторів на їх базі;

· створення та дослідження методів і пристроїв тестування та самотестування для автоматичного контролю стану цифрових регуляторів в системі оперативного контролю менеджера директорій;

· розробка методів і схем побудови цифрових регуляторів для телекомунікаційних каналів з можливістю їх тестування, маштабування та адаптації до електромагнітної ситуації в системах мікропроцесорного управління.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі аналізу телекомунікаційних систем та пристроїв керування їх параметрами обгрунтована доцільність застосування цифрових регуляторів в цифрових телекомунікаційних каналах, зокрема:

·

· вперше запропоновано підхід до керування рівнем інформаційного сигналу в каналі зв`язку з використанням функціонального перетворення цифрозадаючого сигналу з урахуванням форми РХ ЕКЕ і заданого виду закону управління;

· удосконалена порогова модель регулювання чутливості приймальних трактів телекомунікаційних систем з управлінням на несучій частоті;

· вперше обгрунтовано доцільність розрахунку струмозадаючих режимів з урахуванням нелінійності РХ ЕКЕ;

· вперше одержана адаптаційна модель управління швидкодією цифрового регулятора рівня сигналу в телекомунікаційних системах;

· подальший розвиток дістали моделі стискування динамічного диапазону інформаційного сигналу та синтезована форма маштабування в телекомунікаційних мережах, яка об`єднує сумуючі та перемножаючі форми вказаного маштабування;

· вперше запропонована модель демпферування різких скидів сигналу, який регулюється, в перехідних процесах маштабування в каналах передачі;

· вперше сформульовано принцип побудови цифрового регулятора з одиночним накопиченням;

· вперше запропонована методика електронного моделювання різних видів РХ ЕКЕ, що дозволило перевести формування вибраних видів РХ в автоматичний режим з використанням сітьових серверів телекомунікаційних мереж;

· удосконалені та досліджені фізичні та математичні моделі ЕКЕ на частоті переносчику інформаційного сигналу;

· вперше сформульовано принцип побудови самотестуємого цифрового регулятора з контролем стану функціонального ядра, яке складається з струмозадаючих ключів;

· запропонован підхід до подальшого розвитку формування видів законів регулювання з неравномірною дискретизацією РХ та квантуванні сигналів управління;

· вперше створені моделі тест-процесорів по самотестуванню вказаних цифрових регуляторів, які сумісні з мікропроцесорними комплексами;

· дістала подальшого розвитку модель сигнатурного аналізатора, виконуючого функції по прийняттю рішення справність/неспрваність на рівні значень 0 або 1 в кодовій системі мікропроцесорного керування;

· вдосконалені методи самоконтролю, які доповнені новими - динамічне та статичне самотестування.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи були використані при проектуванні і створенні у п/я В-8751 макета формувача сигналу за темою "Пролог", по г/д темам "Гамма", "Шацк - МРП" за планом упроваджування підприємства п/я В-8751; в Особливому конструкторському бюро Московського енергетичного інституту згідно акту про впровадження за договором №43-80, г/д №77-23, г/д 81-91 за планом впровадження нової техніки підриємства п/я В-2645, а також в учбовому процесі кафедри "Автоматика та радіоелектроніка" УІПА .

Результати досліджень можуть також служити основою для пристроїв маштабування сигналів в телекомунікаційних каналах, стабілізації рівня потужності на виході збуджувачів передавачів та рівня чутливості приймачів, які включені в систему серверів телекомунікацій.

Особистий внесок здобувача в наукові результати роботи є:

·

· розробка моделей компресії сигналу та захисту приймачів;

· розрахунок струмозадаючих режимів з урахуванням нелінійності РХ ЕКЕ;

· створення адаптаційної моделі управління швидкодією цифрового регулятора рівня сигналу в телекомунікаційних системах;

· розробка моделі маштабування сигналів в телекомунікаційних каналах, яка об`єднує сумуючі та перемножаючі форми вказаного маштабування;

· запровадження та дослідження методів цифрового відображення РХ ЕКЕ з використанням математичних засобів апроксимації нелінійних функціональних залежностей;

· розроблено спосіб формування цифрових моделей різного виду РХ ЕКЕ в автоматичному режимі;

· удосконалені та досліджені фізичні та математичні моделі ЕКЕ на частоті переносчику інформаційного сигналу;

· запропонована і розроблена модель самотестуємого цифрового регулятора рівня сигналу в телекомунікаційних системах, за принципом контролю стану функціонального ядра, яке складається з струмозадаючих ключів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були повідомлені, обговорені і схвалені на науково-технічних конференціях, в тому числі на 3-ій міжнародній науково-технічній конференції "Контроль и управление в технических системах" (м. Вінниця) в 1995 на 2-й міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія в електроніці" (м. Харків) в 1997 р., на 2-й науково методичній конференції "Використання комп`ютерних технологій в навчальному процесі" (м. Харків) в 1998 р., на міжнародних конференціях по інформаційним технологіям microCAD'98, microCAD'99, microCAD'2000 (м. Харків) в 1998, 1999, 2000 р.р., на міжнародній науковій конференції "Інформаційна інфраструктура вищих навчальних закладів" (м. Херсон) в 1999 р., на науково-технічній конференції Харківського військового університету в 1999 р., на 4-му міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка та молодь в ХХІ столітті" (м. Харків) в 2000 р. Пристрій цифрового самотестуюємого регулятора рівня сигналу для частоти 3 Ггц експонувався на ВДНГ СРСР, де був удостоєний срібної медалі.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 36 наукових робіт, у тому числі: 21 стаття у центральних періодичних наукових журналах, що рецензуються, 3 статті у науково-технічних збірниках, 1 робота у тезисах міжнародної конференції, 11 авторських свідоцтв.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація містить вступ, 5 основних розділів з таблицями і рисунками (ілюстрації займають 58 окремих сторінок), висновки, список використаних джерел з 143 найменувань на 11 сторінках та 4 додатки на 49 сторінках. Повний обсяг роботи 264 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, обгрунтовано актуальність і ступінь досліджень теми дисертації, сформульовано мету та основні задачі, відображено наукову новизну, практичну цінність та рівень впровадження наукових досліджень, структуру роботи та конкретний особистий внесок автора.

Перший розділ містить огляд літератури за темою і видів напрямків дослідження, присвячених особливостям керування параметрами сигналів телекомунікаційних систем.

Розглянуті характерні принципи побудови і контролю напівпровідникових регуляторів параметрів електрорадіосигналів, задачі управління шляхом цифрового відтворення заданої регулюючої характеристики (РХ) та алгоритми роботи цифрових регуляторів при апроксимації вказаних регулюючих характеристик. В існуючих спосібах використовуються максимально спрощені моделі відтворення РХ, що веде до накопичення помилок, або ж застосовується аналіз РХ без урахування електродинамічного стану регуляторів.

Таким чином є необхідність подальшого удосконалення цифрових регуляторів параметрів сигналу телекомунікаційних систем, оскільки існуючі мали ряд вказаних недоліків, пов`язаних, також, з недостатнім динамічним диапазоном регулювання рівня сигналів в тракті, з недостатньою точністю установки значення вихідних сигналів на базі аналогових елементів, при яких має місце невисокий рівень повторювання параметрів регуляторів.

Особливо це давало взнаки при виконанні вказаних операцій на базі мікропроцесорних систем, оскільки виникла необхідність створення спеціальних цифрових автоматизованих систем сопрягання аналогових пристроїв з цифро-кодовими командами управління.

Було сформульовано такі основні завдання дисертаційної роботи:

·

· вирішення питань аппаратурного забезпечення телекомунікаційних систем для технічного впровадження вказаних напрямків регулювання параметрів цих каналів;

· виявлення технічних протиріч характерних для автоматичного регулювання параметрів сигналу цифровими методами і розробка спосібів та алгоритмів управління для цифрових регуляторів, при яких вирішуються вказані протиріччя;

· розробка нових методів тестування та самотестування цифрових регуляторів параметрів інформаційного сигналу в телекомунікаційних системах.

Сформульован основополагаючий принцип організації цифрового відтворення функції регулюючої характеристики f(x) функцією k(x) за допомогою зважених сум деяких фіксованих (базисних) функцій:

де аі - вагомі коефіціенти, (b,g) - область зміни аргументу х, fi(x) -базисні функції.

Звідси виникає протиріччя між високою точністю та збільшенням при цьому апаратурних витрат. Тобто, чим точніше апроксимація, тим більше матеріальні витрати.

Задачі теорії цифрового відтворення РХ розпадаються на два класи. Перший пов`язано з розробкою та реалізацією принципів побудування процедури апроксимації РХ, другий - з ії аналізом, та створенням на цій базі методів цифрового управління і тестування. В існуючих засобах тестування застосовуються спеціалізовані програми та набори спеціальних тестів, що підвищує витрати на експлуатацію телекомунікаційних систем. Саме тому стоїть задача винайти нові методи контролю та тестування.

В другому розділі досліджено принципи цифрового відтворення РХ на базі ступінчатої та кусочно-ступінчатої апроксимації регулюючої характеристики атенюатора, як об'єкта регулювання ступеневим електричним сигналом. При ступінчатій апроксимації прийнято представляти РХ набором фіксованих коефіцієнтів передачі, з необхідною точністю віддзеркалюючизакон управління.

При подібній апроксимації пристрій регулювання характеризується постійним значенням коефіцієнту передачі на визначеному інтервалі зміни вхідного сигналу та стрибкоподібним перетворенням коефіцієнта передачі при переході на інший інтервал зміни вхідного сигналу.

В узагальненому вигляді задана функція f(x) в разі ступінчатої та кусочно-ступінчатої апроксимації замінюється наступним виразом:

де n—кількість ділянок апроксимації;

sign (x-xi)—функція знаку різності (х-xі) слідуючого вигляду ф=1 при (х-xi)>0 та ф=0 при (х-хі)<0.

В умовах дискретного регулювання сигналу задана точність ступінчатої апроксимації характеристики ЕКА, як функції залежності коефіцієнта передачі ka від сигналу управління xn, ka=f(xn), досягається вибором постійного кроку зміни коефіцієнта передачі eaЈD - припустимого відхилення, тобто ka(xi)/ka(xi+i)=const=ea. Звідси kai= kam/ea(n-1), дe kai - поточнезначення коефіцієнта передачи, a kai максимальне значення коефіцієнта передачі.

Дискретизуючи графічне представлення РХ та вибираючи значення хi для кожної дискрети будуємо гістограмму xі=ф(n). Схемна реалізація одержаного графічного рішення пов'язана з побудовою узагальненої декодуючої матриці. Подальше удосконалення ступінчатої апроксимації пов'язане з переходом від абсолютних значень xі до їх приросту Dхі=xі+1-xі та переходом до методу суми виразу першого значення з сумою приросту всіх наступних дискретів сигналу управління:

В разі кусочно-лінійної апроксимації функція ф(х) задається вузлами апроксимації та подається відрізком прямої ,

фі(х)=ф(хі)+[ф(хі+1)-ф(хі)]/ (х-хі)(хі+1-хі)

де ф(хі) та ф(хі+і) - значення функції ф(х) в вузлах апроксимації і та і+1.

Число ділянок апроксимації N та координати вузлів хі визначаються за допомогою заданої помилки апроксимації eаппр.

За допомогою розробленого методу можна визначити мінімально необхідну кількість ділянок, що апроксимуються, та нахилів gі, з довжиною ділянок кратною мінімальній ділянці апроксимації Dхs min. При цьому друга похідна М не мас зміни знаку sign M=const, тобто вважаємо, що функція F(x) є кусково-гладкою. Таке обмеження не накладає умов на звуження класу РХ, які зустрічаються на практиці.

Третій розділ роботи присвячений розробці цифрових методів регулювання рівня передачі сигналів в телекомунікаційних каналах з потрібною точністю відображаючі закон управління. Точність наближення визначається розкидом параметрів ланцюгів системи дискретного регулювання.

Метою розробки вказаних методів є виявлення мінімально необхідної кількості дискрет регулятора при заданій похибці апроксимації. шкали значень коефіцієнтів передачи Кі при РХ, які мають форму монотонно спадаючої функції.

Стосовно дискретного регулятора телекомунікаційних каналів область завдання функції ототожнюється з інтервалом, який обмежує динамічний диапазон регулювання в інтервалі [xmin,xmax], a Fi=f(xi); і=1,2...n. Поводження функції в проміжку дискрети неістотне. Різниця між двома наступними значеннями аргументу hi=xi+i-xi називається кроком апроксимації. Подібні гратовані функції вирішуються як для hi=var, так і для hi=const. При зафіксованому числі рівновідстаючих точок в інтервалі [xmin,xmax], коли N=2n відстань між ними дорівнює

hi=h=(xmax-xmin)/(2n-1)

Прийнято доповнювати гратовану функцію F(x) до кусково-ступiнчатої функції Фс(х) таким чином, що в кожному інтервалі hi зміни аргументу х функція постійна F=Фс(х)=F(хi) при х[xi; xі+1].

Останнє дозволяє в залежності від поведінки функції в середині між двома найближчими значеннями аргументу говорити про розглянуту раніш ступінчату апроксимацію, або про кусочно-лінійну апроксимацію. В останньому випадку кількість ділянок визначається також за допомогою заданої похибки наближення DшF і в загальному випадку має вигляд:

F(x)=yi(x) Fi(x)

де yi(x) —функція логики, яка має приймати значення 1 або 0 в залежності від ідентіфікації аргументу х з інтервалом [хі; хі+1]; Fі(x)—функція і-ї дільниці кусочно-лінейної апроксимації.

В роботі розроблено і досліджено алгоритм побудови дискретних регуляторів відповідно до вибору метода апроксимації. Так для аналого-цифрових ДР із зворотнім зв'язком перетворення напруги в код має два вигляди: параметричне з постійним кроком дискретизації і квантування та із змінним кроком дискретизації і квантування сигналу.

Подібні перетворювачі дозволяють реалізувати метод амплітудного компандування сигналу, при якому послідовно реалізується звуження та розширення сигналу в динамічному диапазоні з рівномірною та нерівномірною шкалою квантування. Останнє широко застосовується в пристроях шумоподавлення для підвищення стійкості систем передачі сигналу від перешкод через канал , а також цифрових систем збереження сигналів з високою якістю відтворення. При цьому шаг квантування D потрібно вибрати таким чином, щоб забезпечити необхідне відношення сигнал/шум, аби снизити шуми обмеження, оскільки в данному разі виникає протиріччя при виборі D, а саме: для сигналів з великим рівнем вказане відношення може бути занадто високим, а кількість рівнів квантування розрядності коду N непересічно перевищеним, що веде до підвищення розрядності коду перетворення my, знижує швидкість передачі цифрового сигналу, ускладнює апаратуру.

Розроблена структурна схема пристрою зв`язку з компандуванням сигналу приведена на рисунку1.

Підсилювач П, атенюатор AT, дискретний регулятор ДР та детектор утворюють компресор з передаточною функцією обернено пропорційною рівню сигналу. Динамічний диапазон сигналу, що передається, стискається так, щоб під час самого великого рівня не перевантажити передавач ПРД, а під час найнижчого рівня виконувалась умова перевищення сигналу над перешкодами в каналі зв'язку /КЗ/.

На рисунку 2 відображена часова діаграма перехідного процесу в системі аналого-цифрового ДР. При дозволяючій здатності вимірювальної установки в 1 дБ можно детально вивчити дискретний характер обробки неузгодження при рівнях вимірювання динамічного сигнала > 10 дБ.

Верхня осцилограма на рисунку 2 відображає зміну вхідного сигналу на 10 дБ над номінальним рівнем, а далі повернення сигналу до номінального рівня. На нижній осцилограмі спостерігається процес стискування зміни сигналу з допомогою ДР. Видно, що повернення сигналу до номінального рівня відбувається з шість тактів. Час стискування при збільшенні сигналу та при зменшенні одинаков (ціна шкали 10 мс/на поділ), тобто, процес симетричен відносно знаку керування.

В четвертому розділі роботи досліджені способи керування цифровими регуляторами параметрів сигналу з заданим виглядом функціонального перетворення. Відомо, що РХ атенюаторів в основному мають нелінійний характер. Крім того, практично відсутній аналітичний опис для більшості нелінійних характеристик. Це приводить до висновку, що зручно подібні РХ апроксимувати однією з математичних форм, розглянутих раніш. В роботі розроблено способи розбиття динамічного диапазону регулювання сигналу на внутрішні інтервали під час дискретизації. Сюди відносяться розбиття на рівні інтервали h0, які визначають межі зміни аналогової складової xа сигналу x. Аналогова складова ха в даному випадку, змінюється в інтервіалі [хm; хm+h0], а кількість інтервалів визначається як

nц=(x-xa)/ho.

Аналітична форма сигналу під час подібного регулювання буде подана сумуючим виразом: x=xa+ nц h0

Розбиття на нерівні інтервали динамічного диапазону сигнала х визначає регулювання сигналу в межах кожного із них в D разів. Аналітично такий закон регулювання подається перемножуючим виразом: x=xaD0 nц, де Do—динамічний диапазон зміни аналогової складової xa сигналу x в межах одного інтервалу регулювання, nц —номер інтервалу регулювання, в якому знаходиться сигнал.

Дослідження показали, що відомі перетворювачі мають слідуючі недоліки: циклічність переключення при виході сигналу, що перетворюється, за межі регулювання, випадкові зпрацьовування по імпульсній перешкоді.

З урахуванням попередніх методик розробленo схемy перетворювача вільного від вказаних недоліків.

Зменшити час обробки сигналу неузгодження в подібних системах можна за допомогою перемножаючого аналого-цифрового перетворювача.

Час відробки зміни сигналу х в інтервалі складає в разі сумуючого tвід=nh0T0 ; де То—період слідування тактових імпульсів. В разі перемножаючого перетворення ця величина має вигляд: t+від=h0 nц ЧT0 тобто чаc відробки в інтервалі зміни сигналу х в останньому випадку значно менше при одному й тому ж значенні Т0 та h0 для розглянутих способів звуження сигналу.

Структурна схема перемножаючого АЦП розроблена на базі підсилювача з дискретно-регульованим значенням передаточної функції. Сигнал на виході підсилювача в інтервалі h0 змінюється по закону вхідного сигналу, тобто як аналоговий. При виході за межі інтервалу він ділиться з коефіціентом відношення x/h0nц. Вихідний сигнал порівнюється з порогами зпрацьовування схеми порівняння СП х01 та х02. x01/x02=h0. Зміна динамічного диапазону сигналу по виході складає Dвнх =D0 в той же час по входу він змінюється як Dвнх= D0 nц і коефіцієнт звуження динамічного диапазону виявляється рівним:

Виявляється явне технічне протиріччя—з одного боку підвищення точності відробки неузгодження веде до збільшення тривалості процеса обробки, а зниження тривалості веде до зменьшення точності. Щоб зняти вказане протиріччя розроблено дискретний регулятор динамічного диапазону сигналу з адаптивними властивостями по відношенню до параметрів вхідного сигналу. Даний пристрій автоматично перебудовує швидкість звуження динамічного диапазону сигналу. Для цього введена схема порівняння (СП), яка має чотири пороги спрацьовування х01 та х02, які визначають ширину динамічного диапазону D0n на виході при регулюванні перемножаючого типу, та вкладена поміж х01 та х02 зона з опірною напругою х03 та х04, яка визначає інтервал при регулюванні по типу зміщення.

Із всієї різноманітності каскадів з коефіцієнтом передачi, що регулюєгься, найбільшу перевагу отримали єлектрично-керовані атенюатори/ЕКА/.

Для моделювання було використане те, що РХ вказаних атенюаторів. тобто залежність струму діоду Ід від прикладеної напруги описується експоненціальною характеристикою:

де I0—початковий струм діода (тепловий), S—постійний коефіцієнт, що залежить від типу діода.

Під час постійного кроку регулювання h0 залежність послаблень ka які вносяться, під дією струму управління (сигналу регулювання xр), носить нелінійний характер. Останнє веде до різкої зміни сигналу на початкових ділянках РХ і невиправданого затягування регулювання на кінцевій ділянці накопичення в системах автоматичного звуження динамічного диапазону радіосигналу. Для виришення цього протиріччя використовується нерівномірна дискретизация по хр.

При значних динамічних дипапазонах сигналу, що змінюється, цифрове функціональне перетворення досягається розбиттям РХ на декілька рівних підінтервалів із введенням автоматичної корекції на кожному підінтервалі, тобто за методом кусочно-ступінчатої апроксимації.

Таким чином, в ДР сигнал xp подається імпульсним потоком f0, окремі лінійні ділянки якого реалізуються в наступному вигляді: f0=f0i+kif1і , де f01—постійна частота, яка задає ступінчату зміну в середині лінійної ділянки, f1i—частота переходу на ділянках кривої, ki—постійні двоїчні шифри, які задають коефіцієнт діління частоти f0.

При постійній частоті імпульсів потоку, час звуження динамічного діапазону сигналу, буде постійним. В той же час сам сигнал, що оброблюється, може мати різну швидкість зміни, що викликає необхідність вирішення вказанного протиріччя застосуванням дискретного регулятора з змінною частотою тактування.

Розроблено інструментарій, що дозволяє відсліджувати швидкість сигналу, що змінюється, під час його звуження. Приріст частоти імпульсів DіNc при цьому за проміжок часу виразиться як:

DiNc=2n(f0)-1-2n-1(f0)-1

Узагальнюючи, приходимо до цифрочастотного функціонального перетворювача, який містить імпульсний потік з керованою частотою, яка представляється як fg=f(W).

П'ятий розділ роботи присвячений розробці та дослідженню методів контролю в структурі цифрових регуляторів за допомогою вбудованого тест-процесору.

Принципи самоконтролю добре розроблені для схем на базі синхронних та асинхронних автоматів, обмежуючись даними моделями. Зіпсованості внутрішніх блоків схем, у вказаному випадку, еквівалентні по своїм наслідкам зіпсованостям елементів пам'яті, а несправності блока вихідного перетворювача фіксується по зміні ваги вихідного стану. Вся схема покривається елементами контролю. Помилковий стан таких елементів не фіксується в роботі автоматів та накопичується в часі, що веде до втрати самоконтролю.

Розглянуті протиріччя вказаного контролю ведуть до необхідності розробити та дослідити нові принципи самоконтролю цифрового регулятора виходячи із характерних специфічних особливостей, відрізняючих його від розповсюджених цифрових схем. Основні із них:

·

· наявність в ЕКА елементів не цифрового ряду (р-і-n діоди, НВЧ-елементи і т. п.).

· елементи структури регулятора відрізняються по швидкодії.

Останнє викликає необхідність часової синхронізації між виробленням команд управління та їх виконанням.

Таким чином, при дискретному регулюванні необхідно контролювати на відмову перш за все струмозадаючі ключі, як найменш надійну складову частину регулятора. Наявність двох режимів роботи ключа було вихідною передумовою при розробці оригінальної концепції контролю режимів роботи дискретного регулятора в складі цифрових систем телекомунікацій( рисунок 3).

В процесі роботи по сигналам опитування сі, які поступають з блоку формування сигналів опитування БФСО, схеми контролю СК формують вплив Ві та одержують інформацію ni про стан ключа kni. Для встановлення факту відмови і-того ключа та виробці сигналу відмови Оi підраховується кількість сигналів вправності /невправності/ на реверсивному лічильнику Лч. На вхід блоку порівняння БП поступає цифровий шифр Nc з лічильника Лч та шифр команди управління Nk.

В випадку їх не збігу на виході блоку порівняння БП формується сигнал відмови Оі.

Подібний моніторінг доповнює інтегрований мережовий інтерфейс з можливістю динамічного вибору робочої швидкості під керуванням Telnet Manager, автоматичного маштабування роботи в лінійному режимі, повну синхронізацію в умовах розподіленої архітектури телекомунікаційних каналів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ.

Дана робота є наслідком праці автора на протязі останніх 17 років, за період роботи в науково-дослідному центрі Української інженерно-педагогічної академії. Основні результатти, одержані за 1990-1997 роки при здобутті відповідних наслідків по НДР "Гамма", та участі в науково-дослідних програмах з п/я В-2645 та п/я В-8751. Ряд результатів одержано за останні роки. Зважаючи на те, що широкий розвиток цифрових телекомунікаційних систем України тільки на активному початковому етапі, ця робота, на наш погляд, може принести велику користь для державних та корпоративних установ, зайнятих експлуатацією, розробкою та випуском обладнання телекомунікаційних каналів.

В результаті виконання роботи можна зробити наступні висновки:

1. Проаналізовані існуючі методи регулювання параметрів інформаційних сигналів в ТК, на основі чого зроблено висновок, що найбільш перспективним методом є метод цифрового регулювання параметрів з функціональним перетворенням РХ.

2. Доведено, що для використання ЕКА при маштабуванні зручно представляти РХ у вигляді експоненціальної характеристики або апроксимувати ії ступінчатою, чи кусочно-лінійчатою залежністю. Розроблено алгоритми вказаних видів апроксимації, які дозволяють довести подібні функціональні перетворення до рівня структурних електричних схем.

3. Розроблені та досліджені методи управління цифровими регуляторами, як пристроями з керуємими імпульсними потоками, які дозволяють вирішити технічні протиріччя між вимогами по швідкодії та точністю регулювання.

4. Запропоновані методики визначення параметрів ступінчатої і кусочно-лінійчатої апроксимації РХ та розроблені алгоритми і методи структуризації схем, які дозволяють реалізувати знайдені параметри.

5. Проведено дослідження цифрових регуляторів ДДК, які мають вбудовані функціональні перетворювачі і відображено їх можливості реалізувати з допустимою точністю та швидкодією автоматичне регулювання чутливості і потужності в межах вибраного динамічного диапазону.

6. Розроблено методику розрахунку цифрового відображення РХ дискретних регуляторів при маштабуванні в каналах телекомунікацій з урахуванням режимів струмозадаючих елементів для регуляторів з управляємим електродинамічним станом, яка використовує моделі регуляторів трьох рівнів наближення, при використанні на різних етапах аналізу: з допомогою ступінчатої апроксимації при невеликих ДДК та з "одиночним накопичуванням" при високих рівнях наближення характеристик з невеликими інтервалами цифрового відображення.

7. Проведено дослідження, які показали, що використання управління багатодіодним регулятором за методом "одиночного накопичення" ослаблення дозволяє підвищити ДДК в режимі маштабування до 100 дБ та запобігти різкого скиду рівня коефіціенту передачі в тракті за рахунок "демпферування" в блоці струмозадаючих ключів.

8. Проведено зрівняльний аналіз різних схем струмозадаючих ключів, які управляють електродинамічним станом регуляторів, що дозволив вибрати схему управління з мінімальними похибками встановлення коефіціенту передачі в тракті телекомунікації, останні виникають за рахунок процесу насичення в струмових ключах, та часом переключення для однієї ступені регулювання ~ 1 мс.

9. Запропоновано спосіб управління цифровим регулятором з нелінійною характеристикою ЕКА, який забезпечує його роботу на лінійчатой частині характеристики на основі математичного рівняння для похибки апроксимації при кусочно-лінійчатому відображенні РХ з похибкою De ” ±0,3 дБ.

10. Сформульовано принцип будування та розроблена принципова електрична схема регулятора з використанням мікропроцесора КР 580 ВМ80А, який дозволяє програмним способом реалізувати адаптивне регулювання сигналу в умовах змінної ЕМС в каналах телекомунікацій з кроком зміни рівня сигналу h0 ” 1дБ.

11. Досліджено теоретично та експериментально цифровий регулятор для маштабування в каналах телекомунікацій з самотестуванням, який постійно сполучаєтьтся з інтегрованим сітьовим інтерфейсом з можливістю динамічного вибору робочої швидкості, що дозволяє максимально автоматизувати процес управління параметрами телекомунікаційних каналів комп`ютерними засобами і тим самим підвищити швидкодію, надійність, якість і конкурентну спроможність національних мереж телекомунікацій.

12. Результати роботи будуть використані при розробці та створенні систем телекомунікацій у п/я В-8751 та п/я В-2645.

Основні положення роботи відображені в таких публікаціях:

1. Корсунов А. Р. Программируемый и контролируемый аттенюатор в диапазоне 1...4 Ггц// Приборы и техника эксперимента.- 1993. -№5. -С. 118-123.

2. Корсунов А. Р. Имитатор отраженного сигнала в составе входного устройства приемника 1...4 Ггц // Приборы и техника эксперимента.- 1996. -№4. -С. 70-71.

3. Корсунов А. Р. Цифровой самотестирующийся аттенюатор для повышенного уровня мощности в частотном диапазоне 1-4 ГГц // Приборы и техника эксперимента.- 1996. -№5. -С. 87-91.

4. Корсунов А. Р. Многофункциональный регулятор с процессорным управлением для приемника диапазона 1-4 Ггц // Приборы и техника эксперимента.- 1997. -№6. -С. 66-73.

5. Корсунов А.Р. Многокаскадный СВЧ-переключатель с фазовым модулятором // Радиоизмерительные и информационные системы и устройства.- М. МЭИ.-1991.-с.174-179.

6. Корсунов А.Р. Устройство измерения напряженности электромагнитного поля с использованием АРУ радиоприемного устройства в диапазоне 1-4 Ггц// Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіо-вимірювань.-Том 1.- Харків: Державне науково-виробниче об`єднання "Метрологія".- 1997.-Т.1.-С. 244-247.

7. Корсунов А.Р. Аналого-цифровые однопараметрические дискретные регуляторы с обратной связью и управляемым квантованием по времени // Информационные технологии: Наука, техника, технология, образование, здоровье.-Часть 3.-Харків: Харк. Держ. Політехн. Ун-т.-1999.-С.403-405.

8. Корсунов А.Р. Программируемая аппроксимация в однопараметрическом дискретном регуляторе уровня СВЧ-сигнала // Информационные технологии: Наука, техника, технология, образование, здоровье.-Часть 3.-Харків: Харк. Держ. Політехн. Ун-т.-1999.-С.406-408.

9. Корсунов А. Р., Тішенко А. М. Цифровой сверхвысокочастотный аттенюатор с регулировкой и автоматической коррекцией// Приборы и техника эксперимента.- 1990. -№5. -С. 136-139.

10. Корсунов А. Р., Тішенко А. М., Царенко В. Т. Наносекундный сверхвысокочастотный переключатель с глубоким уровнем ослабления // Приборы и техника эксперимента.- 1988. -№5. -С. 86-89.

11. Корсунов А. Р., Тішенко А. М., Пелішок Н. Я. Наносекундный фазовый p-модулятор с переключателем // Приборы и техника эксперимента.- 1990. -№6. -С. 96-98.

12. Корсунов А. Р., Тішенко А. М. Формирователь кодовых серий Баркера// Приборы и техника эксперимента.- 1991. -№4. -С. 116-118.

13. Корсунов А. Р., Тішенко А. М. Программируемый цифровой аттенюатор в частотном диапазоне 80...100 ГГц // Приборы и техника эксперимента.- 1992. -№3. -С. 149-153.

14. Корсунов А. Р., Царенко В. Т.Устройство компрессии сигнала и защиты приемника для радиофизических измерений в диапазоне 1...4 Ггц // Приборы и техника эксперимента.- 1993. -№4. -С. 119-125.

15. Царенко В.Т., Корсунов А.Р., Чернин Э.А., Хачерашвили И.Г. Дискретный СВЧ-аттенюатор на p-i-n диодах// Радиотехника.-Харків: ХДУ, Вища школа.-1981.-Вип 58.-С.534-536.

16. Корсунов А. Р., Хуторненко С. В. Импульсный приемник контрольно-измерительной аппаратуры с распределенной системой АРУ //Технология приборостроения.-1998.-№2.-С.23-27.

17. Корсунов А. Р., Хуторненко С. В. Система сжиматель расширитель для радиоканала с регулировкой порога срабатывания // Технология приборостроения.-1998.-№2.-С.30-33.

18. Царенко В.Т. Корсунов А. Р. Бадалишев Ш.Х. Цифровой регулятор для автоматизированных радиотехнических устройств// Приборы и техника эксперимента.- 1984. -№5. -С. 122-124.

19. Корсунов А.Р., Сахацкий В.Д., Хуторненко С.В. Исследование роли места расположения источников излучений при иерархической структуре сот телекоммуникационных каналов // Технология приборостроения.-1999.-№1.-С.8-10.

20. Корсунов А.Р., Сахацкий В.Д., Хуторненко С.В. O текущем контроле эффективности экранирования помещений // Системи обробки інформаціі.-Вип.3(9).-Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ.-2000.-С.142-145

21. Царенко В.Т., Корсунов А.Р., Коваленко В.П., Чернин Э.А., Малышев Н.Л. Электрически управляемые аттенюаторы в имитаторе отраженного сигнала // Научно-технические проблемы проектирования антенных устройств и элементов СВЧ.-М.:МЭИ.-1981.-С.68-73.

22. Корсунов А.Р., Шульгин В.П. Использование в учебном процессе радиотехнического цикла процессорного моделирования САУ // Информационная инфраструктура высших учебных заведений.-Том.2.-Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна.-1999.-С.46-47.

23. Корсунов А.Р., Шульгин В.П. Процессорное регулирование уровня сигнала в приемном тракте с переменным шагом квантования // Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке.-Том 2.-Харьков:ХТУРЭ.-2000.-С.35-36.

24. Корсунов А.Р., Науменко А.Ю., Гикалов В.Н. Программируемая аппроксимация регулировочной характеристики электрически управляемого аттенюатора в дискретных регуляторах уровня СВЧ сигнала //Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке.-Том 2.-Харьков:ХТУРЭ.-2000.-С.37-38.

25. Устройство регулирования сигнала: А.с.1128371 СССР, МКИ Н 03 G 3/20/ А.Р.Корсунов, Ш.Х.Бадалишев (СССР).-№3671509/24; Заявлено 25.10.83; Опубл. 07.12.84, Бюл.№45.-5с.

26. Устройство дискретной регулировки сигнала: А.с.1171986 СССР, МКИ Н 03 G 3/20/ А.Р.Корсунов, Ш.Х.Бадалишев (СССР).-№3607391/24; Заявлено 17.06.83; Опубл.07.08.85, Бюл.№29.-3с.

27. Формирователь биполярных импульсов: А.с.1203691 СССР, МКИ Н 03 К 5/01/ А.Р.Корсунов, Ш.Х.Бадалишев (СССР).-№3584527/24; Заявлено 27.04.83; Опубл. 07.01.86, Бюл.№1.-2с.

28. Амплитудный модулятор: А.с. 1256135 СССР МКИ Н03С 1/06/ А.Р.Корсунов,(СССР).-№3693520/24-09; Заявлено 25.01.84; Опубл. 07.09.86, Бюл. № 33.-2С.

29. Устройство автоматической регулировки усиления: А.с. 1356204 СССР, МКИ Н 03 G 3/20/ А.Р.Корсунов, Л.С.Грабовский, В.П. Коваленко, Э.А.Чернин (СССР).-№4086823/24; Заявлено 02.07.86; Опубл. 30.11.87, Бюл.№44.-4с.

30. Устройство с регулируемым коэффициентом передачи: А.с.1378015 СССР, МКИ Н 03 G 3/30/ А.Р.Корсунов, А.М.Тишенко (СССР).-№4061060; Заявление 28.0486; Опубл.29.02.88, Бюл.№8-3с.

31. Устройство защиты приемника: А.с.1566422 СССР, МКИ Н 01 Р 1/15/ А.Р.Корсунов, А.М Тишенко (СССР).-№4429704/24; Заявлено 24.05.88; Опубл. 23.05.90, Бюл.№19.-3с.

32. Устройство автоматической регулировки усиления: А.с.1629329 СССР, МКИ Н 03 G 3/30/ А.Р.Корсунов, А.М. Тишенко (СССР).-№4641950/09; Заявлено 29.11.88; Опубл. 07.02.91. Бюл.№5.-4с.

33. Устройство защиты приемника: А.с.1665431 СССР, МКИ Н 01 Р 1/15/ А.Р.Корсунов, В.И. Пенкина (СССР).-№4727666/09; Заявлено 04.08.89; Опубл. 23.07.91. Бюл.№27.-2с.

34. Генератор последовательности импульсов: А.с.1378015 СССР, МКИ Н 03 G 3/30/ А.Р.Корсунов, А.М.Тищенко (СССР).-№3671509/24; Заявлено 25.10.83; Опубл. 07.12.84, Бюл.№45.-5с.

35. Устройство с программируемым и контролируемым регулированием коэффициента передачи: А.с.1774469 СССР, МКИ Н 03 G 3/20/ А.Р.Корсунов, В.П. Коваленко, В.И. Пенкина (СССР).-№4740675/09; Заявлено 20.07.89; Опубл. 07.11.92, Бюл.№41.-7с.

36. Корсунов А.Р. Дискретное управление уровнем сигнала в тракте несущей частоты с самотестируемым регулятором // 3-я международная научно-техническая конференция "Контроль и управление в технических системах".-часть 2.-Винница: ВГТУ, ИК НАН Украины.-1995.-С.534-536.

Анотація.

Корсунов А.Р. Дослідження технічних суперечностей та їх вирішення на ранніх етапах розробки цифрових регуляторів параметрів сигналу в телекомунікаційних системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.12.02. “Телекомунікаційні системи та управління ними” – Харківська державна академія залізничного транспорту. Харків, 2001.

Дисертація присвячена задачам створення цифрових регуляторів для систем телекомунікацій з найбільш перспективним методом цифрового регулювання з функціональним перетворенням команд управління. Розроблено алгоритми маштабування телекомунікаційних мереж, які дозволяють довести подібні функціональні перетворення до рівня структурних електричних схем. Засновані методи моделювання цифрових регуляторів як пристроїв управіління імпульсними потоками, що дозволяють вирішити технічні суперечності між вимогами до швидкодії та точностю регулювання. Доведено, що метод "одиночного накопичення" при регулюванні коефіцієнта передачі в телекомунікаційних пристроях дозволяє запобігти різких скидів режиму регулювання при цифровому управлінні, що допомагає здійснити автоматичне регулювання чутливості та потужності в каналах зв`язку в межах вибраного динамічного диапазону з самотестуванням на безвідмовну роботу регуляторів. Дано рекомендації що до практичного використання розроблених пропозицій та рішень.

Ключові слова: телекомунікаційні мережі, цифрові регулятори, методи апроксимації регулюючих характеристик, імпульсні потоки, самотестування, функціональне перетворення, тест-процесор, струмозадаючі ключі.

АННОТАЦИЯ

Корсунов А.Р. Исследование технических противоречий и их решения на ранних этапах разработки цифровых регуляторов параметров сигнала в телекоммуникационных каналах. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 “Телекоммуникационные системы и управление ими” – Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта. Харьков, 2001.

Диссертация посвящена задачам создания цифровых регуляторов параметров сигнала в телекомуникационных сетях с масштабированиием, регулировкой чувствительности и динамического диапазона на базе национального производства, с использованием отечественного производственного потенциала. Разработаны методы формирования необходимых регулируемых характеристик цифровых регуляторов с учетом специфических требований телекоммуникационных сетей особенно в современных условиях глубокого внедрения цифровых методов связи и управления на основе микропроцессорного регулирования. Выдвинут ряд предложений по созданию будущих средств: цифровые устройства регулирования параметров сигнала в канале связи на базе управления импульсным потоком, методов и алгоритмов решения технических противоречий, возникающих при необходимости достичь высокой скорости регулирования с сохранением при этом заданной точности установки уровня сигнала. При этом показано, что подобные алгоритмы управления позволяют проводить масштабирование в телекоммуникационных каналах, устанавливать чувствительность с приемной стороны, управлять уровнем мощности передатчиков, автоматически управлять уровнем динамического диапазона сигнала и его фазовыми характеристиками в сетях связи. Проведен анализ основных алгоритмов. Даны рекомендации по практическому использованию разработанных предложений и решений. Исходные предпосылки сформулированы на основе анализа современных образцов отечественной и зарубежной техники телекоммуникаций. При этом показано повсеместное применение элементов регулирования в канале связи. Полученные 11