Інформатизація процесів удосконалення телекомунікаційних каналів автоматизованих систем переробки інформації й управління

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

В умовах створення ринкових відносин одним із важливих завдань є підвищення ефективності функціонування промислових підприємств, у тому числі і за рахунок більш раціональної побудови автоматизованих систем переробки інформації й управління. Ефективна робота таких систем вимагає високої точності та достовірності передачі інформації. Для цього у вказаних системах необхідні надійні телекомунікаційні канали, постійне їх удосконалення. Нові можливості для отримання покращених характеристик телекомунікаційних каналів відкриваються при використанні сучасних інформаційних технологій. Такі технології повинні забезпечувати розв'язання спеціальних прикладних задач, коректність і точність розрахунку, підвищення продуктивності праці, можливість покращити параметри та характеристики каналів. Науковою базою для дисертаційних досліджень стали роботи Скуріхіна В.І., Анісімова В.Г., Костюка В.І., Петрова Е.Г., Ходакова В.Є., Норенкова І.П., Баскакова С.І., Варакіна Л.Е., Д'яконова В.П., Рогальського Ф.Б. та ін.

Актуальність теми. Сучасні автоматизовані системи переробки інформації та інструментальні засоби складні у застосуванні, мають значну вартість, часто недоступні широкому колу фахівців, до того ж, багато з них стали інтелектуальною власністю, що ретельно охороняється. Крім того, освоєння неадаптованого програмного забезпечення процесу вдосконалення телекомунікаційних каналів потребує значного часу та зусиль, а отже виникає питання доцільності його застосування. З огляду на вищезазначене досить актуальним є необхідність розробки нових моделей, методів, алгоритмів і програмних продуктів, адаптованих до задач удосконалення телекомунікаційних каналів автоматизованих систем переробки інформації й управління з чітко визначеними функціональними можливостями й галуззю застосування, з простим і зручним для користувача інтерфейсом. Саме це й обумовило актуальність дисертаційних досліджень.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційного дослідження - розробка інформаційного забезпечення процесів удосконалення телекомунікаційних каналів автоматизованих систем переробки інформації й управління шляхом створення моделей, алгоритмів і програмних продуктів, адаптованих до задач удосконалення телекомунікаційних каналів з чітко визначеними функціональними можливостями. Мета відповідно визначила такі задачі:

- проаналізувати особливості передачі інформації в телекомунікаційних каналах автоматизованих систем переробки інформації й управління (АСПІУ), стан комп'ютеризації процесів удосконалення каналів ТУ-ТС та відповідні інформаційні технології;

- розробити моделі елементів телекомунікаційних каналів з комплексно покращеними параметрами та характеристиками;

- на основі розроблених моделей та алгоритмів запропонувати інформаційну технологію вдосконалення телекомунікаційних каналів АСПІУ та розробити елементи системи підтримки рішень при автоматизації процесів удосконалення каналів ТУ-ТС;

- виконати моделювання процесів функціонування приймально-передавальної апаратури та запропонувати нові рішення, що покращують параметри і характеристики телекомунікаційних каналів автоматизованих систем переробки інформації й управління;

- реалізувати розроблені методи у вигляді підсистем і програмних модулів, дати оцінку ефективності застосування запропонованих моделей та алгоритмів.

1. Аналіз сучасного стану інформатизації процесів створення та вдосконалення телекомунікаційних каналів автоматизованих систем переробки інформації й управління, проведено аналіз інструментарію вдосконалення телекомунікаційних каналів

Виконано дослідження характеристик телекомунікаційних каналів, визначено мету та задачі дисертаційних досліджень, а також конкретизовані шляхи розв'язання поставлених задач.

Аналіз програмного інструментарію, включаючи ППП (Electronics Workbench, Mathcad і т. ін.), CASE - технології, алгоритмічні мови та інші засоби, показує, що універсальний інструмент дослідження та вдосконалення, адаптований до задач дослідження характеристик телекомунікаційних каналів ТУ-ТС автоматизованих систем переробки інформації й управління, сьогодні відсутній. Отже, для вдосконалення вказаних каналів важлива розробка моделей, алгоритмів, інформаційних технологій.

Узагальнену математичну модель АСПІУ можна представити в такий спосіб:

Масиви інформації X1,X2,…,Xm передаються в режимах телевимірювання (ТВ), телесигналізації (ТС). Масиви інформації Y1,Y2,…,Yn - передаються в режимі телеуправління (ТУ). Функції формують алгоритм управління.

Функції визначають залежність стану об'єкта від управляючих впливів та результатів обробки вхідних даних. Функції утворюють контрольні тести системи обробки даних. У процесі дисертаційних досліджень необхідно визначити вид і характерні риси операторів F і f.

Аналіз принципів побудови й організації функціонування застосовуваних сьогодні систем дозволяє зробити висновок про те, що параметрами і характеристиками каналів прийому-передачі інформації цих систем є завадостійкість, багатоканальність, розподільча здатність за часом пристроїв синхронізації, об'єм апаратури, міра уніфікації і стандартизації апаратури, простота обслуговування.

Недоліком приймання-передачі інформації ТУ-ТС, є те, що правила формування інформаційних посилок для передачі адреси, команд і повідомлень, для здійснення циклової синхронізації та реалізації багатоканальності, для підвищення завадостійкості різні. Тому правила побудови приймально-передавальних каналів для різних за своєю структурою і змістом інформаційних посилок різні. Заходи, спрямовані на поліпшення параметрів і характеристик приймально-передавальних каналів для одних інформаційних посилок не приводять до поліпшення параметрів та характеристик приймально-передавальних каналів для інших інформаційних посилок. Виходячи з цього, актуальним є пошук таких засобів і методів, що дозволять комплексно поліпшити параметри та характеристики каналів.

2. Особливості ітераційного процесу взаємодії проектувальника і комп'ютера у процесі створення та вдосконалення телекомунікаційних каналів

Схемотехнічне вдосконалення є ітераційним процесом, що складається з виконання сукупності проектних процедур при взаємодії множини моделей , множини операцій над моделями та множини критеріїв (обмежень) та умов удосконалення .

Кожна множина процедур переводить модель схеми, що вдосконалюється, в наступний стан , де . При цьому множина повинна враховувати результати попередніх кроків удосконалення.

У процесі вдосконалення використовується модель бібліотеки схем. При цьому з урахуванням накопиченого досвіду в даній предметній галузі складається опис відповідностей (Ат.д.) параметрів функціональної (Fт.з) та атрибутивної специфікації та зберігається у пам'яті комп'ютера. Кожному переліку параметрів:

,

ставиться у відповідність перелік параметрів:

.

Процес схемотехнічного вдосконалення складається із циклів, під час яких виконуються синтез схемного рішення, аналіз схемного рішення і оптимізація параметрів за критеріями, заданими у технічному завданні.

В роботі розглянуто методологію підтримки прийняття рішень при вдосконаленні телекомунікаційних каналів, особливості та основні компоненти інформаційної технології прийняття рішень. Показана необхідність і особливе значення когнітивної підтримки прийняття рішень при вдосконаленні та створенні елементів телекомунікаційних каналів.

Розглянуто особливості формалізації та моделювання інформаційних процесів у приймально-передавальному каналі автоматизованої системи переробки інформації й управління. Показано, що найдоцільніше використовувати математичні моделі у вигляді передавальних функцій елементів телекомунікаційних каналів.

В основу дисертаційних досліджень покладено інформаційно-структурний підхід та здійснено його адаптацію, доопрацювання згідно до вимог дисертаційних задач. Схема інформаційно-структурного методу зображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема інформаційно-структурного методу

Показано, що така багатоетапна процедура дозволяє на першому етапі отримати структурну модель пристрою приймання - передачі; на другому етапі отримати математичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для виконання моделювання пристрою; на третьому етапі створюються підсумкові програмні продукти з детальним опрацюванням інтерфейсних режимів удосконалення. У результаті з'являється можливість удосконалювати та створювати об'єкти з чітко визначеними вимогами щодо швидкості передачі інформації, виділеної смуги частот, апаратурного виконання, умов функціонування.

3. Моделювання процесу функціонування телекомунікаційних каналів, що дозволило запропонувати спосіб приймання-передачі інформації у каналах ТУ-ТС, при якому замість простих сигналів (поодиноких імпульсів) використовуються складні шумоподібні сигнали, кодовані за законами квазівипадкових послідовностей (КВП)

Така послідовність записується як , де Т - загальна тривалість послідовності, - тривалість елементарних кодових знаків, з яких складається послідовність.

До складу шумоподібних кодованих сигналів (ШКС) входять фазо-маніпульовані за законами КВП сигнали (ФМн), частотно-маніпульовані сигнали (ЧМн), амплітудно-маніпульовані радіосигнали (АМнрадіо) та амплітудно-маніпульовані відеосигнали (АМнвідео).

Математичні моделі ШКС подано таким чином:

,

де А - амплітуда сигналів; - радіочастоти, причому . , а .

При моделюванні враховувались такі критерії поліпшення якості телекомунікаційних каналів:

- завадостійкість

- когерентність генераторів тактових імпульсів передавача та приймача

- багатоканальність

- процент уніфікованої апаратури в загальному об'ємі апаратури

- функціональні можливості

Комплексний критерій можна представити у вигляді:

,

де - критерії поліпшення якості каналів, - вагові коефіцієнти.

Відповідно до вибраних сигналів побудовано узагальнену топологічну модель приймально-передавального каналу автоматизованої системи переробки інформації й управління з використанням ШКС (рис.2). Запропоновано структурні моделі передавача та квазіоптимального приймача ШКС.

Основними апаратурними частинами приймально-передавального каналу, що дозволяють реалізовувати переваги ШКС, є генератор КВП та цифровий корелятор.

Рис. 2. Узагальнена топологічна модель приймально-передавального каналу з використанням ШКС

Генератор КВП визначає структуру ШКС, а цифровий корелятор здійснює узгоджений зі структурою сигналу прийом. Генератор КВП повинен виробляти велику кількість взаємоортогональних кодових слів. Цифровий корелятор легко узгоджується з будь-яким кодовим словом, кореляційну функцію якого треба знайти.

Рис. 3 ілюструє той факт, що узгоджене зі структурою ШКС приймання, в якому використовується цифровий знаковий відеокорелятор, забезпечує зменшення апаратурних витрат більш ніж в 102 раз порівняно з узгодженим прийманням до детектора.

На рис. 3 - автокореляційна функція (АКФ) ШКС на радіочастоті; - аналогова АКФ ШКС після детектора; - цифрова знакова АКФ. Для побудови цифрової знакової АКФ достатньо одного на довжину елементарного кодового знака співпадання кодових знаків при порівнянні. S(t) - структура ШКС. Для побудови радіо-АКФ необхідно забезпечити в 102 разів більше порівнянь. Тому що, як правило, довжина елементарного кодового знаку повинна бути принаймні в 10 разів більше періодів радіочастоти, а для більш-менш точної побудови центрального піка відео-АКФ необхідно виконати принаймні 10 порівнянь. Детектор, що є складовою частиною квазіоптимального приймача дозволяє зменшити апаратурні витрати, є нелінійним пристроєм і тому погіршує завадостійкість приймання.

Рис. 3. Можливості зменшення апаратурних витрат в разі приймання за допомогою цифрового знакового корелятора

Шумоподібні кодовані сигнали відкривають можливість комплексного вдосконалення телекомунікаційних каналів автоматизованих систем переробки інформації й управління. По-перше, збільшення довжини сигналу ТУ-ТС дає змогу суттєво збільшити завадостійкість передачі. По-друге, збільшення смуги частот інформаційної посилки дозволяє покращити розподільчу здатність за часом, яка використовується у пристроях синхронізації. По-третє, використання кореляційних властивостей ШКС (а саме їх АКФ та ВКФ) дає змогу будувати багатоканальні системи передачі інформації.

Показано, що використання вказаних можливостей комплексно дає змогу уніфікувати та стандартизувати апаратуру, за рахунок цього зменшити апаратурні витрати та розширити функціональні можливості.

При проведенні комп'ютерного експерименту особлива увага надається аналізу вимог до вхідних смугових фільтрів, що разом із цифровим знаковим корелятором забезпечують необхідну завадостійкість каналу. Показано, що для побудови смугових фільтрів доцільно застосовувати LRC частотно-залежний двополюсник фільтра Баттерворта. Із використанням цього двополюсника запропонована електрична схема активного смугового LRC - фільтра.

Показано переваги запропонованих активних смугових LRC- фільтрів у порівнянні з тими, що використовуються на цей час. Знайдена математична модель RLC - двополюсника. Модуль еквівалентного опору двополюсника є його частотною характеристикою. Він дорівнює (де Re - дійсна частина еквівалентного опору, Im - уявна частина еквівалентного опору). Причому:

Rе ( ) = (AS + BD) / (S2 + D2),

Im () = (AD - BS) / (S2 + D2),

A = r (a / щ2C2 + г+ Q2r2),

B = M - aс2 / щC, S = M - (a / щC)2 + с2,

D = r - a (R0 +2r) / щC, a = (f / f0)2 - 1,

M = R0 r + r2, с = ,

Q = с / r , г = с2 / r R0,,

.

Тут - центральна частота смугового двополюсника, L та C - індуктивності та ємності резонансних контурів двополюсника, r - активний опір індуктивності. R0 - резистор, що є складовою частиною послідовного резонансного контуру, який входить до складу двополюсника. Фазова характеристика розглянутого частотно-відбіркового ланцюга .

Показано, що запропонований LRC - фільтр є універсальним в діапазоні частот від 0 до 100 мГц. Тому такий фільтр можна використовувати в усіх системах телемеханіки, в яких канали передачі інформації будуються із використанням телефонного кабелю, звиваної пари провідників, коаксіального кабелю, радіоканалу.

Отримані моделі процесів функціонування телекомунікаційних каналів ТУ-ТС є основою для розробки алгоритмів і інформаційної технології автоматизації прийняття рішень при вдосконаленні та створенні телекомунікаційних каналів автоматизованих систем переробки інформації й управління.

4. Практична реалізація розроблених моделей, алгоритмів та інформаційних технологій

Їх застосування забезпечує збільшення завадостійкості приймання-передачі інформації ТУ-ТС, покращення роботи пристроїв синхронізації, можливість побудови багатоканальних систем передачі інформації, уніфікацію та стандартизацію апаратури вдосконалення телекомунікаційних каналів.

Із використанням розроблених моделей, алгоритмів, інформаційних технологій, що реалізують інформаційно-структурний підхід, запропонована система підтримки прийняття рішень (СППР) при вдосконаленні телекомунікаційних каналів автоматизованих систем переробки інформації й управління (рис. 4).

Розроблені моделі, алгоритми, інформаційні технології та результати виконаного моделювання складають в сукупності суть підсистем інтелектуальної підтримки та проблемно-орієнтованих підсистем.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 4. Структурна схема системи підтримки прийняття рішень при вдосконаленні телекомунікаційних каналів ТУ-ТС

У якості носіїв інформації ТУ-ТС досліджувались АМн- та ЧМн-сигнали. Їх використання забезпечує мінімальні апаратурні витрати. Ретельно досліджувались смуговий фільтр на вході квазіоптимального приймача ШКС та цифровий корелятор на виході каналу, що забезпечують узгоджене приймання відповідно зі спектром сигналу та структурою ШКС і завдяки цьому максимально можливу завадостійкість квазіоптимального приймання ШКС.

Моделювання виконувалось із використанням відомих пакетівприкладних програм Mathcad, EWB та власно створеного ППП PROJECT-K.

ППП PROJECT-K забезпечує широкі функціональні можливості, простий та доступний непрофесіональному користувачу інтерфейс. Зокрема, пакет призначено для збільшення поля взаємно ортогональних адрес при реалізації багатоканальних систем передачі інформації з використанням кодового ущільнення-розподілу за структурою ШКС; для всебічного дослідження параметрів та характеристик пасивного LRC - двополюсника, який є основою для побудови активних LRC - фільтрів; для порівняння АФЧХ активних смугових та режекторних RC та LRC -фільтрів тощо.

Висновки

телекомунікаційний автоматизований передавальний

1. Проведено аналіз процесів передачі інформації телеуправління-телесигналізації у телекомунікаційних каналах автоматизованих систем переробки інформації й управління, існуючих методів та засобів удосконалення апаратури, використання сучасних інформаційних технологій і програмного інструментарію для отримання каналів із поліпшеними характеристиками. Показано, що універсальний інструмент, адаптований до задач удосконалення каналів сьогодні відсутній, отже, необхідна розробка відповідних моделей, алгоритмів і інформаційних технологій.

2. Розглянуто особливості ітераційного процесу взаємодії проектувальника та комп'ютера у процесі вдосконалення телекомунікаційних каналів, їх окремих елементів. Розглянуто методологію підтримки прийняття рішень при вдосконаленні телекомунікаційних каналів, особливості та основні компоненти інформаційної технології підтримки прийняття рішень.

3. Розглянуто особливості формалізації та моделювання інформаційних процесів у телекомунікаційному каналі автоматизованих систем переробки інформації й управління. Здійснено адаптацію та доопрацювання багатоетапного інформаційно-структурного підходу, що дозволило на першому етапі отримати топологічну модель пристрою приймання-передачі, на другому етапі отримати математичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для моделювання пристроїв, на третьому етапі створювати підсумкові програмні продукти з детальним опрацюванням інтерфейсних режимів. Підхід дозволяє отримати комплексно вдосконалені об'єкти з чітко визначеними вимогами щодо швидкості передачі інформації, виділеної смуги частот, апаратурного виконання, умов функціонування.

4. Виконано моделювання процесу функціонування каналів ТУ-ТС, що дозволило запропонувати для використання шумоподібні кодовані сигнали, які дають можливість підвищити завадостійкість каналів, удосконалювати пристрої синхронізації, створювати якісні багатоканальні системи передачі інформації, зменшувати апаратурні витрати та збільшувати функціональні можливості апаратури.

5. Побудовано узагальнену топологічну модель телекомунікаційних каналів ТУ-ТС із використанням шумоподібних кодованих сигналів та моделі його елементів. Запропоновано моделі передавача та квазіоптимального приймача шумоподібних кодованих сигналів, моделі смугових фільтрів, знакового цифрового корелятора. При цьому запропоновану топологічну модель приймача-передавача шумоподібних кодованих сигналів можна використовувати практично в усіх системах телемеханіки, в яких канали передачі інформації будуються з використанням телефонного кабелю, звиваної пари провідників, коаксіального кабелю та радіоканалу. Моделі телекомунікаційних каналів послужили основою для розробки алгоритмів та інформаційної технології моделювання.

6. Розроблено структурну схему СППР, реалізовано її алгоритмічне і програмне забезпечення у вигляді діалогових підсистем, що дозволило автоматизувати процес удосконалення телекомунікаційних каналів, а саме: визначати параметри сигналів, що передають інформацію. Удосконалювати вхідні смугові фільтри, корелятори і телекомунікаційний канал вцілому. Програмне забезпечення створено на базі інструментального середовища Delphi 3.0. Пакет прикладних програм має широкі функціональні можливості, простий і доступний непрофесійному користувачеві інтерфейс. Дає можливість ефективно розв'язувати практичні задачі створення і вдосконалення каналів ТУ-ТС із комплексно покращеними характеристиками.

7. Розроблено та доповнено елементи конструктивної теорії та проблемно-орієнтованого інструментарію для вдосконалення елементів каналів ТУ-ТС у вигляді моделей, алгоритмів, інформаційних технологій. Використання їх дозволило запропонувати, розробити та запатентувати низку способів та пристроїв, що забезпечили підвищення завадостійкості каналу приблизно в 10 разів, зменшення апаратурних витрат приблизно в 102 разів, можливість регулювання смуги прозорості приблизно в 103, можливість збільшення кількості каналів у виділеній смузі частот приблизно в 12 разів.

Обґрунтованість висновків та рекомендацій підтверджується практичним використанням результатів дисертаційних досліджень. Результати досліджень впроваджені на виробництві, зокрема, ВАТ "Херсонгаз", ВАТ "ХБК", у мережах зв'язку ХДТУ та в навчальному процесі на факультеті кібернетики ХДТУ.

Література

Корниловская Н.В. Использование информационных технологий для совершенствования телекоммуникационных каналов систем промышленной автоматики // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2002. - № 1(14). - C. 76-80.

Корниловская Н.В. Возможности использования LRC-схем активной полосовой фильтрации для улучшения параметров преселекторов радиосигналов. // Радиоэлектроника и информатика. - 2001.- № 1(14). - C. 34-38.

Корниловская Н.В. Применение шумоподобных кодированных сигналов в системах промышленной автоматики // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2001. - № 1(8). - C. 29-37.

Рогальский Ф.Б., Корниловская Н.В. Улучшение характеристик приёмо-передающих каналов телекоммуникационных систем промышленной автоматики // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2000. - № 2(7). - C. 38-43.

Рогальский Ф.Б., Корниловская Н.В. Исследование возможности регулирования полосы пропускания одного класса LRC-схем активной полосовой фильтрациии // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2000. -№ 1(6) . - С. 52 -57.

Размещено на Allbest.ru