ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

На правах рукопису

ГРІНЬ ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.234; 396.043

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ПРИСТРОЇВ СИНХРОНІЗАЦІЇ

ДЛЯ СИСТЕМ НА БАЗІ ТАЙМЕРНИХ СИГНАЛІВ

05.12.02 Телекомунікаційні системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку.

Науковий керівник заслужений працівник народної освіти України,

академік МАІ, доктор технічних наук, професор

ЗАХАРЧЕНКО М.В. Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, проректор з навчальної роботи

Офіційні опоненти доктор технічних наук ЛОСЄВ Юрій Іванович,

Харківський військовий університет Міністерства оборони України, професор кафедри

кандидат технічних наук, доцент

ПАШОЛОК Петро Оникійович Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту та звязку України, доцент кафедри

Провідна установа Одеська національна морська академія.

Міністерство освіти і науки України, (м. Одеса)

Захист відбудеться 13.10.2004 р. о 10.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 при Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, Україна, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

З дисертаційною роботою можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, Україна, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1

Автореферат розіслано 11 вересня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 Плотников В.М

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми та стан питання

Телекомунікації є невід’ємною частиною виробничої та соціальної інфраструктури України і призначені для задоволення потреб фізичних та юридичних осіб, органів державної влади в телекомунікаційних послугах. Останнє десятиліття внесло значні корективи в телекомунікаційні технології, методи проектування, побудови та реалізації мереж зв’язку, склад користувачів, спектр послуг, якість передачі та відтворення інформації. Технічний прогрес у галузі телекомунікацій України реалізується на основі комплексного підходу, що забезпечує перехід з аналогових мереж до цифрових з інтеграцією служб.

Особливістю цифровізації мереж і технологій передачі інформації в Україні є прагнення швидкого інтегрування у Європейську (міжнародну) мережу зв’язку, де використовуються цифрові телекомунікації. У перехідний період доцільним є використання новітніх цифрових технологій та існуючих розгалужених аналогових абонентських ліній телефонної мережі загального користування. Це підтверджується значним ростом об’ємів інформації автоматизованих систем керування (АСК) підвищення вірогідності, стійкості, швидкості передачі поміж обчислювальними центрами ЕОМ, служб поштового та метеорологічного забезпечення корпоративних та безпечних мереж зв’язку.

Широке впровадження прогресивних перспективних способів обміну інформацією, що забезпечують функціонування різних підсистем АСК вимагає вирішення наступних задач:

- збільшення пропускної здатності існуючих каналів зв’язку (КТЧ);

- пошук оптимальних методів з точки зору ефективного використання смуги пропускання при заданих вимогах до якості та швидкості передачі інформації поміж ЕОМ.

Вирішення задач, спрямованих на підвищення ефективності використання засобів зв’язку, багато в чому залежить від поліпшення якості окремих локальних пристроїв систем зв’язку. До таких локальних пристроїв, зокрема, належать системи фазового автопідстроювання, пристрої тактової синхронізації для систем на базі таймерних сигналів та методи кодування лінійних цифрових сигналів.

Забезпечення високої ефективності використання смуги частот за рахунок розрядно-цифрових двійкових сигналів (РЦДК) при найквістовій швидкості передачі розглянуто в працях вчених: В.О. Котельникова, Л.Ф. Фінка, Д.О. Маркевича, Б.Р. Лєвіна. Особливо слід виділити роботи вчених А.Г. Зюко, В.Л. Банкета, М.Г. Петровича, В.П. Шувалова, А.А. Ільїна, Б.Н. Кузьміна.

Остільки АСК використовують канали передачі багатоканальних систем з частотним розподілом каналів, то використовувати зазначені вище роботи для підвищення ефективності АСК не доцільно.

Тому в даній роботі автор розвиває ідеї, викладені в роботах М.В. Захарченко, І.А. Кіреєва, Е.В. Дельгаде, М.Н. Маринової, Г.Я. Панченко і на відміну від коду РЦДК, в якому на тривалості m двійкових символів Т0 реалізується Np = 2m кодових слів, що відрізняються принаймні одним елементом, автори відзначених робіт формують Np > 2m реалізацій сигналів з мінімальною відзнакою на величину = Т0/S, де S 2 ціле число. При цьому з метою зменшення міжсимвольних спотворень імпульсів (МСІ), що виникають за рахунок нееквідістантного (з тривалістю некратного інтервалу 0) розташування значущих моментів модуляції (ЗММ), мінімальна відстань поміж ЗММ вибирається меншою або рівною тривалості найквістового елемента 0.

Оскільки ЗММ можуть займати S положень на інтервалі часу одиничного елемента 0 = 1/F (F ширина смуги каналу), то сигнали, що формуються таким методом, дістали назву багатопозиційних часових бінарних сигналів (БЧ БС). Доказано, що припустима множина кодів

БЧБС є нелінійною, тому існуючі для РЦДК методи формування збиткових символів для виявлення та виправлення похибок за рахунок спотворень та завад не можуть застосовуватися і вимагають додаткового дослідження.

Впровадження кодів БЧБС у системах телекомунікацій для підвищення швидкості передачі при фіксованій смузі частот каналу передачі з припустимою якістю вимагає підвищення точності та швидкодії систем тактової синхронізації на базі таймерних сигналів (систем фазового автопідстроювання – ФАП).

Системи ФАП знаходять широке застосування в телекомунікаціях зв’язку: при демодуляції цифрових ФМ-сигналів в частотних синтезаторах; при побудові регенераційних дільників і помножувачів частоти, де вузько- смугові ФАП замкненого типу з опорного сигналу, спотвореного завадами, одержують вільний від джитера субгармонічний сигнал; при розробці схеми фільтрації спектральної складової (тактової частоти) на фоні завад та спотворень; при реалізації високодобротних та смугових загороджувальних фільтрів з відстежуючим настроюванням за середнім значенням частоти, що формується; при побудові систем когерентної фазової або частотної модуляції; при керуванні сфазованими антенними решітками і реалізації когерентних далековимірних систем; у підсилювачах для усунення фазових набігів; у системах ІКМ плезіохронної цифрової ієрархії для виділення тактової частоти безпосередньо з інформаційного лінійного цифрового сигналу; у системах передачі дискретної інформації (СПДІ); при стабілізації частоти задаючих генераторів багатоканальних систем передачі з частотним та часовим розподілом каналів (БСП з ЧРК та БСП з ЧсРК); у приймачах амплітудно-модульованих сигналів; у радіотехнічних приймально-вимірювальних комплексах; для підвищення точності апаратури запису відтворення інформації на магнітному носії тощо.

Основними показниками ФАП є точність у припустимих режимах та швидкодія, що помітно впливають на ефективність системи зв’язку, якість передачі інформації тощо. Тому тема дисертаційної роботи, присвячена задачі підвищення якості пристроїв синхронізації для систем на базі таймерних сигналів, особливо актуальна.

Успіхи розвитку системи ФАП пов’язані з іменами вітчизняних та зарубіжних вчених: Белюйіна Л.П., Стєклова В.К., Капранова М.В., Артема А.Д, Шахільдяна В.В., Первачова С.В., Кривицького Б.Х., Зайцева Г.Ф., Скляренко С.М., Жорджишського М.І., Вітербі В.Д., Поліщука В.Г., Руденко О.А. та інших.

У відомій літературі вирішення задач підвищення точності та швидкодії ФАП за принципом керування за відхиленням мають істотний недолік, остільки зміна параметрів замкненого контура ФАП при зменшенні фазової похибки збільшує тривалість перехідного процесу та зменшення запасу стійкості, що вимагає компромісного рішення до одержання припустимих точності та стійкості конкретної ФАП. Практично мало досліджені багатоконтурні ітераційні ФАП, не розроблено методи їхнього структурного синтезу з пристроями, що масштабують і коригують, та додатковим контуром керування в умовах наявності нелінійностей та зовнішніх завад (збурень).

Особливістю систем тактової синхронізації на базі таймерних сигналів, що використовують сигнальні конструкції БЧБС, є зростання вимог до точності, стабільності та стійкості роботи керованих місцевих генераторів тактової частоти.

У зв’язку з цим в дисертаційній роботі розв’язуються задачі підвищення точності та швидкодії ФАП з місцевим додатним зворотним зв’язком на базі таймерних сигналів з використанням багатопозиційних бінарних сигналів з символами тривалості часового інтервалу меншого в S разів тривалості найквістового елемента.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано за реальними потребами галузі зв’язку України. Основні результати дисертаційної роботи використано в науково-дослідних темах, які проводяться в Одеській національній академії зв’язку ім. О.С. Попова (раніше УДАЗ ім. О.С. Попова) на замовлення й за планами Державного комітету зв’язку та інформатизації України і Державними програмами створення Єдиної національної системи зв’язку України та Національної програми інформатизації, затвердженими Кабінетом Міністрів та Верховною Радою України, відповідно.

Мета та задача дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності та швидкодії багатоконтурних ітераційних ФАПЧ з місцевим додатним зворотним зв’язком за умови використання ефективних багатопозиційних часових бінарних (таймерних) сигналів та впливах спотворень і зовнішніх завад (систем тактової синхронізації).

Для досягнення поставленої мети розв’язано наступні задачі:

- проведено оцінку ефективності використання таймерних сигнальних конструкцій на реальних каналах зв’язку;

- визначено методи збільшення потужності множин дозволених таймерних сигнальних конструкцій (ТСК);

- проведено аналіз впливу модему на величину міжсимвольних спотворень при використанні таймерних сигнальних конструкцій;

- сформовано вимоги до пристроїв синхронізації з урахуванням параметрів ТСК;

- синтезовано стійкі замкнені ФАПЧ з місцевим додатним зворотним зв’язком (МДЗЗ) за умови підвищення порядку астатизму системи та мінімізації інтегральної оцінки якості перехідних процесів;

- запропоновано методи розрахунку параметрів системи тактової синхронізації СПДІ на основі ЕОМ з урахуванням характеристик спотворень та завад у каналі передачі.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано теорію множин, теорію багатопозиційних кодів, методи математичної статистики, теорію імовірностей випадкових процесів, теорію оптимального керування, прийоми варіаційного розрахунку, теорію інваріантності та чутливості.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Проведено класифікацію модемів аналогових абонентських ліній за швидкістю передачі та модемними протоколами.

2. Запропоновано структуру системи синхронізації на основі таймерних сигналів і розроблено методику структурного та аналітичного синтезу її з місцевим додатним зворотним зв’язком, фізично реалізовану за умов підвищення точності та швидкодії при підвищенні порядку астатизму та мінімізації інтегральної оцінки якості перехідних процесів.

3. Встановлено припустимі межі ймовірності невиявленої помилки фазування через коефіцієнт надлишкового коду БЧБС. Запропоновано алгоритми мінімізації цієї імовірності

4. Проведено аналіз якості роботи системи синхронізації на основі таймерних сигналів при дії дроблень.

5. Одержано аналітичні співвідношення для параметрів систем з РЗЗ при формуванні сигнальних конструкцій на основі БЧБС.

6. Проведено оптимізацію систем з РЗЗ на основі БЧБС як для гауссових каналів так і для випадку дії зосереджених за часом завад.

7. Запропоновано алгоритми та пристрої, що поліпшують параметри роботи СПДІ на базі ЕОМ К-1810.

Практичне значення отриманих результатів. Більшість отриманих у роботі теоретичних висновків доведено до інженерних розрахунків. Розроблені автором алгоритми роботи систем на основі ТСК

(БЧБС)доведено до програмної реалізації з використанням сучасних і перспективних мікропроцесорних засобів.

Заропоновані методи синтезу стійких замкнених систем ФАПЧ з місцевим додатним зворотним зв’язком, а також основні закономірності формування збиткових БЧБС з синдромним розподілом виявлення та виправлення похибок висвітлено в одинадцяти статтях наукових періодичних видань.

Розроблені алгоритми впроваджено на НПП Навігаційного гідрофізичного центру (м. Харків) та експериментально перевірено на реальних каналах передачі.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі особисто автором проведено такі дослідження: розробка та дослідження таймер них сигнальних конструкцій (багатопозиційних часових і бінарних сигналів (БЧ БС); розробка та дослідження нових структур замкнених систем ФАП з додатним зворотним зв’язком та коригуючим контуром; виконано аналіз перехідних процесів і стійкості системи ФАПЧ з МДЗЗ; запропоновано методику аналізу параметрів точності систем ФАП з МДЗЗ з чисельним моделюванням на ПЕОМ; досліджено вплив завад на підвищення ефективності комутованих каналів зв’язку за рахунок застосування таймерних сигнальних конструкцій (БЧБС); експериментальна перевірка розроблених алгоритмів на реальних каналах зв’язку. Результати, отримані у співпраці з іншими науковцями, надруковано в сумісних статтях, де внесок кожного співавтора є приблизно однаковий.

Апробація результатів роботи. Синтезовані на основі теоретичних досліджень алгоритми реалізовано в ЦТЕ МТТЗ МЗ України (м. Одеса), використано у ході проектування базового комплексу технічних засобів передачі даних НПП Навігаційного гідрофізичного центру (м. Харків). Запропоновані методи розрахунків параметрів автоматичного керування та параметрів синхронізації дискретної інформації на базі таймерних сигналів використано в наукових статтях та навчальних посібниках.

Вірогідність одержаних в роботі результатів підтверджується коректністю аналітичних висновків, їхнього збігу в граничних випадках з результатами чисельного моделювання на ЕОМ окремих алгоритмів, працездатністю пристроїв, реалізованих на основі запропонованих рекомендацій.

На захист виносяться такі питання:

- алгоритми, аналітичні співвідношення характеристик систем передачі інформації на основі таймерних сигнальних конструкцій;

- стійкі замкнені системи ФАПЧ з місцевим додатним зворотним зв’язком, синтезовані за умови підвищення порядку астатизму та мінімізації інтегральної оцінки якості перехідних процесів;

- результати експериментального дослідження та чисельного моделювання параметрів СПДІ з ФАПЧ з МДЗЗ та пристроями синхронізації на базі ТСК;

- методика розрахунку параметрів тактової синхронізації на базі таймерних сигнальних конструкцій пристроїв обміну інформацією;

- програмна реалізація основних вузлів пристроїв обміну інформацією на базі ТСК (БЧ БС) з інтерфейсом ЕОМ.

Результати дослідження дозволяють рекомендувати для підвищення ефективності використання існуючих каналів обміну інформацією АСК, збільшення об’ємів інформації, що передається, запропоновані в роботі методи та алгоритми перетворення сигналів на вході та виході каналу передачі та методи синтезу високоякісних систем обміну інформацією.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні результати доповідалися та обговорювалися на семінарах: кафедри ПДС; науково-технічних конференціях Одеської національної академії зв’язку ім. О.С. Попова та УНДІРТ (м. Одеса, 1999 2003); на міжнародній науково-практичній конференції “Сигналы и средства передачи и обработки информации” (м. Одеса, 2001); на IV міжнародній науково-практичній конференції “Системы и средства передачи и обработки информации” (м. Одеса, 2000).

За матеріалами дисертаційної роботи самостійно або у співавторстві опубліковано статті в таких періодичних журналах: “Радіотехніка”; “Telecommunications and Radio Engineering”; в наукових працях УДАЗ

ім. О.С. Попова; в навчальному посібнику з дисципліни Системи документального електрозв’язку.

За результатами досліджень опубліковано 11 наукових робіт, розділ в навчальному посібнику.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків загальним обсягом 156 аркушів машинописного тексту, включаючи 46 рисунків, 37 таблиць, списку літератури з 120 найменувань.

Короткий зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми підвищення ефективності використання каналів обміну інформацією систем зв’язку АСК, дано коротку характеристику дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено класифікацію модемів аналогових абонентських ліній (ASL Analog Subscriber Line) по швидкості передачі від 0,2 до 56 кбіт/с, та модемних протоколів: модуляції; корекції помилок; стиснення інформації; взаємодії. Розглянуто принципи та порівняння роботи модемів в умовах реальної мережі зв’яку з протоколами, що забезпечують символьну швидкість передачі, яка збігається з шириною смуги сигналу, та при впливі факторів зниження якості передачі даних: згасання, ехо- та попутних потоків; нерівномірності АЧХ; імпульсні: нелінійні; тремтіння фази та амплітуди символів; несинхронність задаючих генераторів БСП з ЧРК; кліматичні зміни та старіння радіоелементів. Проведено порівняння статистичних характеристик комутованих та некомутованих каналів і каналів моделі Гільберта та забезпечення припустимої якості як в системах з адаптацією, так і в системах зі сталою збитковістю при використанні розрядно-цифрового двійкового коду (РЦДК).

Розрахунки ефективності використання останнім часом для передачі інформації окремих кодів виконано як для каналів з незалежними похибками, так і для каналів АСУ. Показано, що за рахунок групування похибок у реальних каналах припустима ймовірність у системах зі сталою збитковістю досягається за рахунок зниження ефективності використання каналу.

Наприклад, для коду ? в каналі з імовірністю помилкової реєстрації символу Рпом = 2, 85 10-4 ймовірність невиявленої помилки в кодовому слові зростає на 9,73 10-7 <Pнво < 1,67 10-4 з коефіцієнтом групування помилок  ,373.

Імовірність появи пакета помилок довжиною ln визначається його середньою довжиною у символах :

, (1)

де добуток середньої тривалості переривання та швидкості модуляції, тобто для і-кратних помилок маємо

, (2)

Р(2) = 0,21; Р(3) = 0,084; Р(4) = 0,025.

При цьому для тривалості “доброго” (задовільного) стану каналу Тс = 60 ймовірність помилки визначається таким чином:

.

Ефективність використання каналу, коефіцієнта групування, залежності появи помилкового символу визначається за формулами:

; (3)

де рзаг ймовірність помилкового прийому кадру довжиною n.

Розподіл кратності помилок у відсотках (%) для Nзаг символів наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Довжина блоку | Nзаг | Рк (i) Кратність помилок, % | ре10-4 | і

1 | 2 | 4 | 8

4 | 6286 | 78 | 21 | 4,9 | 0,27

9 | 4787 | 56 | 32 | 3 | 4,72 | 0,27

16 | 3951 | 42 | 37 | 6 | 4,82 | 0,24

30 | 3338 | 40 | 29 | 8 | 1 | 4,96 | 0,25

Деякі коливання розрахованих значень (табл. 1.) пояснюються недостатністю ємності вибірок – пакетів.

Підтвердження гіпотези існування моделі дискретного каналу Гільберта (з двома станами) виконано методом статистичних досліджень з використанням модемів за Рек. MTU V. 21; V. 22; V. 23 та одержання ряду характеристик потоку помилок:

- розподілу ймовірностей появи кодових груп р( 1, n) в залежності від їхньої довжини n, швидкості передачі В, смуги частот пропускання каналу F;

- розподіл помилок усередині досліджуваного блоку символів при варіації параметрів n, B, F.

Виконані дослідження дозволили оцінити наступне:

- вплив швидкості передачі на ймовірність помилки при F = const;

- вплив смуги пропускання на ймовірність помилки при В = const;

- розподіл кратності помилок у границях досліджуваних блоків при зміні параметрів n, B, F.

Для збиткового коду визначено ймовірність появи n-символьної комбінації з m та більше помилками за формулою

р(m n) (4)

де N(і, n) кількість n-символьних комбінацій, спотворених і-помилками;

Nзаг(n) кількість переданих комбінацій тривалості n.

Одержані результати аналізу помилок, що збігаються і не збігаються, відносно першої зареєстрованої помилки дозволяють зробити такі висновки:

- на інтервалі 4 після реєстрації помилки зосереджена основна частина негативного стану каналу (95 %);

- 80 % перших помилок після реєстрації помилок протилежного знаку (що не збігаються), і тільки 20 % продовження дроблення (що збігаються).

Розподіл помилок на інтервалі 16 0 апроксимується наступним одержаним співвідношенням:

, (5)

де i ціле число i = 1, 2, ...,16.

Остільки на інтервалі одного символу найбільш ймовірна поява тільки одного дроблення, а із них до помилок може призвести тільки 42,74 %, то ймовірність появи n-символьної комбінації з m або більше помилками визначається за формулою

,

де кількість вибірок для В = 600 Бод та частоті дроблень 792 дроб/годину.

Таким чином, в першому розділі з метою визначення параметрів модемів в умовах реальних каналів зв’язку наведено класифікацію аналогових абонентських ліній і модемних протоколів, за умовами впливу спотворень та реальних завад на ймовірність правильної реєстрації символів інформаційного сигналу. Виконано статистичні виміри параметрів обраної моделі каналу при варіації швидкості передачі, смуги пропускання каналу та довжини пакета сигналів кодової конструкції коду РЦДК.

У другому розділі досліджено питання підвищення ефективності низькошвидкісних комутованих каналів зв’язку за рахунок застосування багатопозиційних часових бінарних сигналів (БЧБС) у залежності від співвідношення сигнал/завада та вимог до структури сигнальних конструкцій БЧБС, реалізованих на основі двійкових кодів та кодів з розподільним законом з довільною основою.

Чисельними методами моделювання розрахована потужність кодів БЧБС та ймовірність виявлення векторів помилок у залежності від кількості значущих моментів модуляції (ЗММ) та теореми по використанню синдромів (вичитів) для виправлення помилок заданої кратності та різній швидкості передачі інформації у залежності від розташування ЗММ. Дослідження доведено до оцінки ефективності застосування сигнальних конструкцій БЧ БС при посимвольному прийомі та прийомі “в цілому” за ймовірністю появи дроблень у залежності від смуги пропускання КТЧ та величини завади.

На рис. 1 наведено два кодових слова БЧБС з трьома ЗММ, що відрізняються координатами t1 /; t2/; t3/ відносно стартового переходу “0”, де базовий символ тривалості меншої від найквістової в S разів.

Можливість збільшення пропускної здатності КТЧ при використанні БЧ  БС і сформованих на їхній основі кодів це генерація на фіксованому часовому інтервалі більше сигнальних конструкцій з тривалістю символів кратних , ніж при використанні розрядно-цифрових двійкових кодів. Кількість сигнальних конструкцій залежить від: числа ЗММ; кількості базових символів на фіксованому інтервалі (найквістовому) S; тривалості інтервалу сигнальної конструкції БЧ БС m:

, (6)

а для випадку змінного числа ЗММ маємо

. (7)

При цьому тривалість сигнальної конструкції дорівнює

, (8)

що зменшує вплив перехідних процесів у КТЧ. З множини (6) вибирають конструкції з можливістю виявлення та виправлення помилок зсувів ЗММ. Оптимальною з точки зору пропускної здатності КТЧ при використанні БЧ БС є тривалість символу опт = ( 2), де середнє квадратичне відхилення ЗММ при декодуванні.

З метою формування коротких (стартстопних) сигнальних конструкцій, які забезпечують виявлення та виправлення помилок при декодуванні, у роботі використовується синдромний метод визначення виду помилок. При цьому дозволені сигнальні конструкції БЧ БС формуються відповідно до умови

, (9)

де хn (n = 1, 2, …, і) координати n-ого ЗММ в сигнальній конструкції БЧБС; Аn параметри БЧБС, які визначаються параметрами КТЧ та вимогами якості передачі інформації.

Імовірність помилкового декодування одного (останнього у стартстопній конструкції) ЗММ визначалася за формулою

, (10)

де ступінь зміщення реєструючого імпульсу відносно останнього ЗММ у сигнальній конструкції; =; к стабільність керованого генератора.

Порівнянно з РЦДК на фіксованому інтервалі сеансу буде передано при БЧ БС кількість символів у Z разів більше:

, (11)

де найближче більше ціле число.

Тобто ймовірність помилкового декодування БЧ БС зміниться на величину К1 = 1,125/Z і остільки усі значення Z більші за 1,125, то швидкість передачі при БЧ БС більша, а ймовірність помилкового декодування менша порівняно з РЦДК.

Розроблено модель прямого каналу СПДІ з кодеком БЧ БС з надлишковістю, яка забезпечує підвищення швидкості передачі інформації та реалізації сигнальних конструкцій з корекцією помилок за рахунок міжсимвольної інтерференції (МСІ) та завад. При цьому результуюча ймовірність помилки визначається за формулою

, (12)

де кі середній коефіцієнт розмноження невиявлених помилок; середня ймовірність помилок за рахунок МСІ та шуму; – середня ймовірність помилок за рахунок імпульсних завад; середня ймовірність виправлення декодером БЧ БС і-ї конфігурації помилок;

кількість конфігурацій помилок; g кількість переданих цифр.

Для оптимізації БЧ БС розв’язано наступні задачі:

1. Пошук залежностей при фіксованому відношенні сигнал/завада на вході вирішуючого пристрою СПДІ для оптимального вибору тривалості базового символу .

2. Узгодження потужності двійкового джерела з потужністю БЧБС тобто мінімізацію та максимізацією для 2g символів з М- символів коду.

3. Мінімізація коефіцієнтів розмноження помилок.

Методами чисельного моделювання виконано розрахунки за наступними емпіричними формулами:

(13)

де Е критерії оцінки впливу МСІ та шуму в границях < 0,6…0,7;

ф дисперсія шуму на виході ФНЧ;

k = 0,5...0,8 обирається в залежності від виду гребінчастої реакції КТЧ на базовий символ .

Розрахунки виконано для лінійних швидкостей В = 30; 40; 50 Бод.

, (14)

де Pj ймовірність передачі j-ї конструкції БЧ БС; ri кількість можливих і-кратних помилок; mkji кількість помилок, декодованих в q-розрядному двійковому слові; М потужність БЧ БС (зазвичай М = 2q).

Для оцінки ефективності БЧ БС запропоновано динамічне синдромне декодування з урахуванням того, що інформація передається місцем знаходження ЗММ, що забезпечує в гауссовім каналі швидкість передачі в 1,8 раза більшу у порівнянні з РЦДК за умови приблизно рівних залишкових ймовірностей помилкового декодування. При цьому базовий символ = 1,25h, де h відношення сигнал/шум (разів).

У третьому розділі розглянуто питання підвищення точності, швидкодії та можливості фізичної реалізації систем тактової синхронізації (СТС) пристроїв обміну інформацією на базі багатопозиційних часових бінарних сигналів (БЧ БС). Підвищення вимог до СТС даних пристроїв обумовлені використанням в якості одиничного символу кодів інформації, що передається, часового інтервалу з тривалістю в декілька (S) разів меншої тривалості, що визначається інтервалом Найквіста (Котельникова, братів Уоккер).

Запропоновані нові структури та способи синтезу систем фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) з місцевими додатними зворотними зв’язками (МДЗЗ) без впливу на стійкість обладнання передачі даних та забезпеченням їхньої фізичної здатності реалізуватися.

Структурну схему ФАПЧ з МДЗЗ наведено на рис. 2, де W1(p), W2(p), W3(p) передатні функції фазового детектора, фільтра нижніх частот та керованого за частотою задаючого генератора відповідно; Wз.з(p) та Wk(p) передатні функції МДЗЗ та коригуючого контура; Wl(p) передатна функція для помилки зі збуренням; вх(р) та вих(р) зображення за Лапласом фази вхідного та вихідного інформаційного сигналу; l(p) збурення системи;

(р) зображення фазової помилки.

За впровадження до ФАПЧ контуру МДЗЗ та коригуючого контура рівняння елементів системи набуває такого вигляду:

(15)

Після відповідних перетворень з (15) маємо

передатної функції для помилки за заданим впливом:

; (16)

передатної функції для помилки за збуренням:

(17)

Відсутність передатної функції МДЗЗ в знаменнику виразів (16) та (17) свідчить про те, що впровадження МДЗЗ контура сумісно з Wk(p) коригувальним контуром з передатною функцією не впливає на стійкість системи ФАПЧ.

Розроблено методику синтезу високоточних систем ФАПЧ з МДЗЗ при поліномінальних вхідних впливах, які виникають при слідуванні за несучою.

Підвищення точності ФАПЧ забезпечується вибором параметрів контура МДЗЗ за умови підвищення астатизму. Передатна функція контура МДЗЗ, який дозволяє знищити складову фазової помилки, що визначається частотою вхідного сигналу, записується виразом

,

де d1 та d2 визначаються за умови збереження стійкості ФАПЧ.

Запропонована процедура синтезу швидкодіючої ФАПЧ з МДЗЗ за умови синтезу параметрів МДЗЗ за мінімумом інтегральної квадратичної оцінки

, (18)

де перехідна складова фазової помилки системи. При цьому контур МДЗЗ подається як передатна функція

. (19)

Одержані вирази для визначення оптимальних параметрів контура МДЗЗ, які мінімізують інтегральну квадратичну оцінку якості. Визначено оптимальний ефективний інтервал , значення параметра 1 при фіксованому значенні U1, в якому вмикання МДЗЗ дозволяє поліпшити перехідний процес керування ФАПЧ.

Прирости передатних функцій за похибкою з МДЗЗ подаються у такому виді

; (20)

,

де j-й корінь характеристичного рівняння F3(p) = 0; jg j-й корінь характеристичного рівняння контуру МДЗЗ Fкn(p) = 0; m1j степінь поліномів F3(p) та Fкn(p), відповідно Sij коефіцієнти чутливості нулів і полюсів.

Відхилення передатної функції на визначає зміну перехідної складової похибки на , що, в свою чергу, призводить до відхилення початкового значення перехідної складової ФАПЧ без МДЗЗ Аj на Аj.

Розрахунки похибки СТС приймача БЧБС з імовірністю р = 0,9995 не перевищують значень

, (21)

де коефіцієнт нестабільності задаючого генератора; ємність цифрового фільтра (в найпростійшому випадку реверсивного лічильника); Rg коефіцієнт ділення керуючого дільника частоти.

Доведено, що з підвищенням точності у сталому режимі в класі ітераційних ФАПЧ з’являється додаткова можливість підвищення показників якості перехідного процесу при виборі оптимальних параметрів Wзз(p) та Wk(p) з урахуванням інтегральної квадратичної оцінки (21).

При цьому максимальний час входження у синхронізм визначається відповідно до виразу

де ц параметр кодового рисунка, який характеризує кількість ЗММ на тактовому інтервалі 0.

Час підтримки синхронізму СТС, який визначає припустимий час “пропадання” інформаційного сигналу вх(р) на вході приймача визначається за виразом

.

Показано, що при використанні БЧ БС з тривалістю базового сигналу 4,5 припустима величина похибки СТС може досягати 16 %.

Таким чином, у третьому розділі для замкненої ФАПЧ з місцевим додатним зворотним зв’язком підвищено точність та швидкодію стійкої СТС, яка фізично реалізується. Проведено синтез передатної функції контура МДЗЗ за умови підвищення астатизму СТС та мінімізації інтегральної квадратичної оцінки якості перехідних процесів СТС. Доведено, що при використанні БЧБС з оптимальною зоною реєстрування = 4,5 припустима величина похибки СТС може досягати 0,16 тривалості тактової зони за умови припустимих параметрів входження до синхронізму.

У четвертому розділі розглянуто питання фізичної реалізації основних вузлів запропонованої СТС на рівні програм ПЕОМ кодувальних та декодувальних пристроїв СПДІ з ФАПЧ – МДЗЗ на базі БЧБС та запропонована СПДІ з двократним ущільненням стартстопного циклу передачі, а також алгоритм декодування завадостійкого БЧБС з синдромним виправленням частоти похибок для ФАПЧ (РЗЗ) з розв’язувальним зворотним зв’язком.

Запропоновані структурні схеми передавача та приймача СПДІ з двократним ущільненням з використанням ЕОМ на базі мікропроцесора К1810 для БЧ БС з можливою кількістю реалізацій на інтервалі Тс = 7,50

, (22)

де кількість реалізацій БЧ БС за n ЗММ у кодовому слові.

При цьому збільшення кількості реалізацій удвічі за рахунок наявності – відчутності стартстопного переходу в початковій зоні 0 при використанні синхронного способу передачі БЧ БС за умови = 0/3.

Розробка супроводжена для ЕОМ програмами переривання спеціалізованого контролера БЧ БС та програмою алгоритму кодування в СПДІ при двократному ущільненні.

Для визначеного оптимального базового символу розраховано ймовірність появи помилкових кодових слів за рахунок завад: дроблення, збільшення ЗММ; зменшення ЗММ; зміщення більше ніж на 10 % для швидкостей передачі 100; 200; 600 Бод при розрахунковій сумарній імовірності

3,14 10-2...2,9 10-2. При дослідженні симплексної системи СПДІ з повторами і БЧ БС одержимо розрахункову ймовірність 2,5 10-5 ... 7,2 10-6 в залежності від повторення через задану кількість кодових конструкцій від однієї до чотирьох.

Враховуючи те, що при заданих параметрах СПДІ на інтервалі Тс = 50 можна одержати 127 реалізацій БЧ БС , ефективність використання каналу при двократному ущільненню дорівнює

. (23)

При цьому ефективність застосування коректуючого коду в режимі коригування помилок оцінюється коефіцієнтом підвищення вірогідності:

, (24)

де ймовірність появи більш однієї помилки в n-символьній комбінації; ймовірність появи помилок за час іспитів.

Доведено, що розрахунок відносної ефективності швидкості передачі адаптивних СПДІ з РЗЗ в режимі коригуючого коду, яким виявляються помилки доцільно проводити за формулою

, (25)

де n кількість повторювальних кодових слів; d0 = 2ti + 1 кодова віддаль;

коефіцієнт групування помилок; Р0 ймовірність помилкового прийому одиничного символу; ймовірність виявлених пакетів помилок; Рст (n) ймовірність помилок БЧ БС з синдромним виявленням помилок; L відстань поміж кінцевими станціями СПДІ; В швидкість передачі; V швидкість розповсюдження сигналу в каналі передачі.

За умов (р0 = 2,5 10-3); = 0,32; d0 = 4; Pно(n) = 3 10-6; L = 100км одержано залежність R, наведеної на рис. 3,

де е відносний коефіцієнт кодової ефективності використання каналу, який визначається ймовірністю помилкового прийому одиничного символу;

к відносний коефіцієнт швидкості коду.

Збільшення R в першій фазі пояснюється властивостями корегуючого коду при якій з збільшенням тривалості комбінації збільшується збитковість коду за рахунок збільшення кодової швидкості к.Остільки зі збільшенням n збільшується ймовірність спотворення кодової комбінації, то кількість перезапитів по зворотному каналу також зростає тим самим зменшує кодову ефективність використання каналу передачі е, що призводить до зменшення R.

Для адаптивної СПДІ одержано та чисельно змодульовано оцінку ефективності швидкості передачі за наступним виразом:

(26)

де Rn відносна ефективність швидкості передачі кусково-стаціонарною моделлю каналу з адаптивною СПДІ; Rф відносна ефективна швидкість передачі СПДІ з РЗЗНП з фіксованими параметрами корегуючого коду.

На основі (26) розроблено програми алгоритмів:

формування завадостійкого коду БЧ БС;

прийому комбінацій БЧ БС адаптивного СПДІ з РЗЗ.

Отже, в четвертому розділі запропоновано СПДІ двократного ущільнення, з реалізацією на ЕОМ Л1810 (8086).

Запропоновані алгоритми реалізації в АССЕМБЛЕР процедур прямого та зворотного перекодування інформації на базі БЧ БС та декодування його комбінацій з синдромними виправленнями помилок в адаптивній СПДІ.

Основні результати роботи. Сукупність наукових положень, сформульованих та обґрунтованих в дисертаційній роботі містить розв’язування точності та швидкодії ФАПЧ з додатним зворотним зв’язком та коригуючим контуром, призначеними для фільтрації несучої в когерентних системах зв’язку, та реалізації пристроїв тактової синхронізації СПДІ на базі таймерних сигнальних конструкцій.

Результати дисертаційної роботи можуть бути зведені до наступного:

1. Знайдено умови, які визначають параметри множин збиткових ТСК (БЧБС) з познаковим захистом та синдромним розподілом виявлених та виправлених помилок.

2. Одержано аналітичні співвідношення для потужності множин БЧ БС з роздільним захистом окремих ЗММ та доведено до оцінки ефективності таких сигнальних конструкцій.

3. Визначено процедури встановлення оптимальної відповідності множин ТСК (БЧ БС) та РЦДК, які забезпечують мінімізацію розмноження помилок декодування.

4. Запропоновано та досліджено структури цифрових замкнених систем ФАПЧ з РЗЗ та коригуючим контуром.

5. Розв’язано задачу реалізації оптимальної за швидкодією ФАПЧ та одержано умови, за яких статична система ФАПЧ перетворюється в астатичну з порядком астатизму, який дорівнює одиниці.

6. Одержано результати експериментального та чисельного моделювання параметрів стійкості, точності та швидкодії структури ФАПЧ з МДЗЗ.

7. Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в розробках НПП Навігаційного гідрофізичного центру (м. Харків) та впроваджені в навчальний процес Одеської національної академії зв’язку ім. О.С. Попова (м. Одеса).

За матеріалами дисертації опубліковано такі роботи:

1. Гринь А.А. Раздел “Классификация современных устройств преобразования сигналов” в учебном пособии по курсу “Системы документальной электросвязи”, Одесса, 2003, с. 20 44.

2. V.N. Zakharchenko, V.V. Topalov, A.A. Grin, Boridko N. G. Efficiency of Nonuniform Coding in the Real Channels of Automatic Control Systems Low-Set Elements When Using Multiposition Time Signals*. Telecommunications and Radio Engineering, 53 (7,8), 1999. C. 79 85.*Originally published in Radiotechnika, №111, 1999. C. 149 150.

3. Захарченко Н. В., Гринь А.А. Повышение скорости передачи в системах с решающей обратной связью. Тезисы международной научно-практической конференции “Системы и средства передачи и обработки информации”. Одесса. 2001. С. 17 19.

4. Руденко А.А., Гринь А.А. Корригирующие алгоритмы систем ФАПЧ. Радиотехника. 2000, вып. 114. С. 138 141.

5. Костик Б.Я., Гринь А.А. Оценка чувствительности систем ФАПЧ с дифференциальной связью по задающему воздействию. Радиотехника. 2000, вып. 115. С. 61 65.

6. Захарченко В.Н., Корчинский В.В., Гринь А. А. Эффективность системы передачи данных с решающей обратной связью и переменными параметрами корригирующего кода. Радиотехника. 2001, вып. 120. С. 175 181.

7. Захарченко В.Н., Драганов А.В., Гринь А. А. Исправление одиночных ошибок смещений ЗМВ величиной е = 2. Радиотехника. 2001, вып. 118. С. 121-125.

8. Захарченко В.М., Драганов О.В., Гринь О. О. Залежність пропускної здатності каналу при БЧС від співвідношення сигнал/завада. Наукові праці УДАЗ ім.. О.С. Попова, №2. 1999. С. 76 80.

9. Захарченко В.Н., Драганов А.В., Гринь А. А. Эффективность синдромного динамического декодирования избыточных сигнальных конструкций МВК. Наукові праці УДАЗ ім.. О.С. Попова, 2000, №1. С. 61 65.

10. Андреев А.И., Гринь А.А., Охрущак Д.В. Определение оптимальных параметров двухсвязной итерационной системы фазовой автоподстройки из условия получения минимума квадратичной интегральной оценки. Радиотехника. 2001, вып. 121. С. 192 196.

11. Захарченко В.Н., Липчанский А.И., Гринь А.А. Увеличение мощности избыточных многопозиционных кодов. Тезисы IV Международной научно-практической конференции “Системы и средства передачи и обработки информации”. Одесса. 2000. С. 121.

12. Захарченко В.Н., Топалов В.В., Улеев А.П., Гринь А.А. Вероятность ошибочного приёма сигнальной конструкции избыточного МВК при однократном повторении. Радиотехника. 1999, вып. 112. С. 37 41.

Грінь Олександр Олександрович. Підвищення якості пристроїв синхронізації для систем на базі таймерних сигналів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.12.02 Телекомунікаційні системи та мережі. Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Одеса, 2004.

Дисертаційну роботу присвячено питанням синтезу та дослідженню системи тактової синхронізації на базі таймерних сигналів та стартстопного фазування при використанні сигнальних конструкцій з символами по тривалості меншими за найквістовий елемент, одержано оптимальні вирази для пропускної здатності з урахуванням характеристик спотворень та завад в каналі передачі з фіксованою смугою частот для припустимих границь імовірності невиявленої помилки асинфазного стану, проведено аналіз самосинхронізуючих властивостей найпростіших надлишкових багатопозиційних часових бінарних сигналів (БЧБС), розроблено систему синхронізації на базі таймерних сигналів, тобто ФАПЧ із замкненим додатним зворотним зв’язком (ФАПЧМДЗЗ) та систему передачі дискретної інформації (СПДІ) з двократним ущільненням каналу передачі.

Ключові слова: ТАЙМЕРНІ СИГНАЛИ, СИНХРОНІЗАЦІЯ, ТОЧНІСТЬ, ШВИДКОДІЯ, БАГАТОПОЗИЦІЙНІ ЧАСОВІ БІНАРНІ СИГНАЛИ, РОЗРЯДНО-ЦИФРОВИЙ ДВІЙКОВИЙ КОД, ДОДАТНИЙ ЗВОРОТНИЙ ЗВ’ЯЗОК, ФАЗУВАННЯ, СИНДРОМ, ПЕРЕДАТНА ФУНКЦІЯ, ЙМОВІРНІСТЬ, СПОТВОРЕННЯ, ЗАВАДИ, КАНАЛ ПЕРЕДАЧІ.

Grin Alexandr Alexandrovich. Increase of the Quality of Synchronization Devices for the Systems on the Base of Timer Signals.

Dissertation for the competition on the scientific degree of the candidate of technical sciences on the specialty 05. 12. 02 Telecommunication systems and Nezt. Odessa National Academy of Telecommunications named after A. S. Popov, Odessa, 2004.

The dissertation work is devoted to the problems of synthesis and research of timer systems of the cycle synchronization and “start-stop” phasing with the use of signal constructions with the symbols length less that Nyquist element.

Analytical correlations with the passing ability have been obtained with the account of distortion characteristics of noise in the transmission channel with the fixed frequency band path for the tolerance limits of probability of error non-determination of the asynphase state. The analysis of selfsynchronizing characteristics of the simplest