Розробка методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних каналів передавання даних

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

УДК 621.39

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних каналів передавання даних

Горбатий Іван Володимирович

Львів - 2005



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник -доктор технічних наук, професор Тимченко Олександр Володимирович, професор кафедри “Телекомунікації” Національного університету “Львівська політехніка” Офіційні опоненти -доктор технічних наук, с.н.с. Смеркло Любомир Михайлович, завідувач відділу Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту кандидат технічних наук, доцент Стрепко Ігор Теодорович, доцент кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій Української академії друкарства (м. Львів)

Провідна установа: - Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова держкомзв'язку України

Захист відбудеться 15 червня 2005р. о 16 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12, аудиторія 218 11 корпусу)

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка”(79013, Львів-13, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий 6 травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доц. Бондарєв А.П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Телекомунікації - область техніки, яка сьогодні розвивається найбільш швидко й динамічно. Особливого розвитку набули телекомунікаційні мережі для передавання даних. Однією із причин цьому став стрімкий розвиток всесвітньої комп'ютерної мережі Інтернет. Важливою ланкою телекомунікаційної мережі є телекомунікаційний канал (ТК). Найбільш поширеними є канали на основі симетричних ліній зв'язку (СЛЗ). Актуальним завданням є аналіз найбільш важливої характеристики телекомунікаційного каналу передавання даних (ТКПД) - пропускної здатності. При цьому найкращого результату можна досягнути при поєднанні теоретичного аналізу та експериментального дослідження ТК. Теоретичний аналіз слід здійснювати з використанням математичних моделей ТК, а експериментальне дослідження - із використанням відповідних методик. Актуальність розробки нових математичних моделей та методик пов'язана з тим, що наявні моделі призначені для аналізу та дослідження повітряних та кабельних телефонних каналів зв'язку в обмеженому діапазоні частот (до 1 МГц). Сучасні ТК на основі симетричних кабелів зв'язку (СКЗ) використовують значно ширшу смугу частот (0…125 МГц), а деякі види СКЗ сертифікують на відповідність стандартам у діапазоні частот до 350 МГц, тому для опису таких каналів існуючі моделі не придатні.

Дана дисертаційна робота присвячена актуальному завданню - розробці методів підвищення пропускної здатності ТКПД, яке стоїть при проектуванні нових та модернізації існуючих ТК. Ці методи розроблено на основі розробки та аналізу математичних моделей ТК. Створені моделі та методи дозволяють теоретично та експериментально визначити максимально можливу пропускну здатність ТК і оцінити придатність такого каналу для передавання даних із заданою швидкістю. Розв'язання поставлених завдань є особливо важливим в умовах України, оскільки дозволяє підвищити ефективність існуючих ТК, що значно дешевше від створення нових.

Зв'язок роботи з науковими програмами, роботами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з виконанням держбюджетної теми “Розробка і дослідження методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних мереж шляхом обробки і ущільнення мультимедійних даних” (2003-2005 р. р., номер держреєстрації 0103U004644) на кафедрі “Телекомунікації” НУ “Львівська політехніка” Міністерства освіти та науки України; з госпдоговірною роботою зі створення локальної комп'ютерної мережі Інституту економіки і менеджменту НУ “Львівська політехніка” згідно з договором ЦТІТ-ЛМ-009 від 15.11.2002 р. між Інститутом економіки і менеджменту НУ “Львівська політехніка” й Центром телекомунікаційних та інформаційних технологій НУ “Львівська політехніка”; з госпдоговірною роботою з модернізації локальної комп'ютерної мережі Інституту дистанційного навчання НУ “Львівська політехніка” згідно з договором ЦТІТ-ЛМ-014 від 4.06.2003 р. між Інститутом дистанційного навчання НУ “Львівська політехніка” й Центром телекомунікаційних та інформаційних технологій НУ “Львівська політехніка”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних каналів передавання даних шляхом оптимізації їх параметрів з використанням розроблених математичних моделей та удосконалення методів модуляції сигналу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

Удосконалити математичну модель середовища типу “скручена пара”, що базується на основі математичної моделі довгої двопровідної лінії, для підвищення точності обчислення основних параметрів середовища передавання даних у широкому діапазоні частот (0…350 МГц).

Розробити математичні моделі телекомунікаційних каналів для визначення максимально можливої пропускної здатності виділеного та комутованого каналів.

Розробити теоретичні методи визначення і методики експериментального дослідження максимально можливої пропускної здатності виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів.

На основі розроблених математичних моделей та методів визначення пропускної здатності здійснити дослідження й аналіз існуючих телекомунікаційних каналів та розробити методи підвищення пропускної здатності таких каналів шляхом оптимізації їх параметрів та удосконалення методів модуляції сигналу.

Об'єкт дослідження - телекомунікаційні канали передавання даних.

Предмет дослідження - пропускна здатність телекомунікаційних каналів передавання даних.

Методи дослідження. Проведені в дисертаційній роботі дослідження базуються на загальних положеннях теорії довгої лінії - для розробки удосконаленої математичної моделі середовища типу “скручена пара”, на загальних положеннях теорії інформації - для розробки математичних моделей і визначення пропускної здатності виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів, на методах комп'ютерного моделювання - для аналізу сучасних телекомунікаційних каналів на основі розроблених моделей, на загальних методах радіовимірювання - для розробки методик експериментального дослідження телекомунікаційних каналів.

Наукова новизна одержаних результатів. У процесі теоретичних та експериментальних досліджень отримано такі нові наукові результати:

Уперше розроблено метод підвищення пропускної здатності телекомунікаційного каналу шляхом оптимізації первинних параметрів симетричної лінії зв'язку із застосуванням розроблених моделей та метод збільшення швидкості передавання даних через телекомунікаційний канал шляхом удосконалення методів модуляції сигналу.

Удосконалено математичну модель середовища типу “скручена пара”, що базується на математичній моделі довгої двопровідної лінії, на основі запропонованих методів визначення первинної провідності втрат з використанням запатентованих автором способів та уточненням формул для визначення первинних опору втрат, індуктивності та ємності, що дозволило визначати основні параметри середовища в широкому діапазоні частот (0…350 МГц).

Уперше розроблено математичні моделі для визначення максимально можливої пропускної здатності та інших основних параметрів виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів.

Запропоновано метод визначення максимально можливої пропускної здатності телекомунікаційного каналу з довільною амплітудно-частотною характеристикою при дії сигналу та шуму з нерівномірними енергетичними спектральними густинами.

Запропоновано нові метод та формулу для підвищення точності визначення первинної провідності втрат симетричної лінії (кабеля) зв'язку у діапазоні частот 0…350 МГц на основі запатентованого автором способу.

Розроблено метод експериментального визначення максимально можливої пропускної здатності телекомунікаційного каналу, який базується на запропонованих методиках дослідження виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів з використанням запатентованого автором способу та пристрою для вимірювання середньоквадратичного значення напруги змінного струму в умовах адитивної низькочастотної завади.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені у роботі методи підвищення пропускної здатності дозволяють збільшити швидкість передавання даних через ТК.

Розроблені математичні моделі дозволяють визначати пропускну здатність, коефіцієнти передавання за напругою (КПН), струмом (КПС), потужністю (КПП), затухання та інші характеристики середовища типу “скручена пара” (СТСП), виділеного телекомунікаційного каналу (ВТК) та комутованого телекомунікаційного каналу (КТК) за допомогою методів комп'ютерного моделювання.

Розроблений метод визначення максимально можливої пропускної здатності дозволяє обчислювати пропускну здатність ТК із довільною АЧХ при дії сигналу та шуму з нерівномірними енергетичними спектральними густинами (ЕСГ).

Розроблені методи визначення провідності втрат СЛЗ (СКЗ) на основі запатентованих автором способів дозволяють підвищити точність обчислення пропускної здатності ТК у діапазоні частот 0…350 МГц.

Розроблений метод експериментального визначення максимально можливої пропускної здатності ТК із використанням запатентованого автором способу та пристрою дозволяє оцінювати придатність такого каналу для передавання даних із заданою швидкістю.

Основні наукові результати дисертаційної роботи - методи підвищення пропускної здатності ТК шляхом оптимізації первинних параметрів СЛЗ та швидкості передавання даних через ТК шляхом удосконалення методів модуляції сигналу, математичні моделі СТСП, ВТК та КТК, метод визначення максимально можливої пропускної здатності ТК із довільною АЧХ при дії сигналу та шуму з нерівномірними ЕСГ, метод експериментального визначення максимально можливої пропускної здатності ТК на основі запропонованих методик дослідження ВТК та КТК використовуються в навчальному процесі НУ “Львівська політехніка” на кафедрі “Телекомунікації” при проведенні лекцій та лабораторних занять із курсу “Технічна експлуатація сучасних комплексів зв'язку” для студентів спеціальності 7.092402 “Інформаційні мережі зв'язку” базового напрямку 0904 “Телекомунікації”.

Математичні моделі СТСП, ВТК, метод визначення провідності втрат СЛЗ (СКЗ) та методика дослідження ВТК впроваджені та використовувались в процесі госпдоговірних робіт зі створення локальної комп'ютерної мережі Інституту економіки і менеджменту НУ “Львівська політехніка”.

Метод визначення максимально можливої пропускної здатності ТК із довільною АЧХ при дії сигналу та шуму з нерівномірними ЕСГ, способи визначення провідності втрат СЛЗ та методика дослідження ВТК із використанням способу вимірювання середньоквадратичного значення напруги змінного струму та пристрою для його здійснення впроваджені й використовувались в процесі госпдоговірних робіт із модернізації локальної комп'ютерної мережі Інституту дистанційного навчання НУ “Львівська політехніка”.

Математичні моделі ВТК, КТК, методики дослідження ВТК та КТК впроваджені й використовувались при модернізації комп'ютерної мережі ЛКП “Львівелектротранс”.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. У друкованих працях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в [1] - метод підвищення пропускної здатності ТК шляхом оптимізації первинних параметрів СЛЗ; в [2] - уточнені формули для визначення первинних параметрів СТСП; в [3] - формули для визначення пропускної здатності ВТК; в [7] - експериментальне дослідження характеристик СТСП; в [8] - методи визначення максимально можливої пропускної здатності ТК з нерівномірним розподілом шуму; в [9] - метод експериментального визначення максимально можливої пропускної здатності ТК; в [11] - обчислення параметрів СЛЗ з використанням різних математичних моделей; в [12] - формули для визначення КПП та затухання СЛЗ; в [13] - дослідження екранного затухання середовища типу екранована скручена пара; в [14] - обчислення передавальних характеристик СТСП; в [15] - експериментальне дослідження впливу кліматичних умов на первинні параметри СЛЗ; в [16] - методика експериментального дослідження КТК; в [17] - метод підвищення пропускної здатності КТК при передаванні даних; в [22] - формули для визначення максимально можливої пропускної здатності ТК з довільною АЧХ; в [24] - проведення комп'ютерного моделювання впливу шумів на пропускну здатність ВТК; в [25] - методика оптимізації первинних параметрів СЛЗ; в [26] - проведення комп'ютерного моделювання процесів передавання даних у ТК при використанні квадратурної амплітудної модуляції; в [27] - запропоновані структурні схеми телефонних каналів зв'язку з підвищеною пропускною здатністю.

Апробація результатів роботи. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на:

Міжнародній конференції з індуктивного моделювання МКІМ-2002, Львів, 2002 р.;

VII Міжнародній науково-технічній конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці”, Львів-Славсько, 2003 р.;

ХХІІ і ХХІІІ науково-технічних конференціях “Моделювання”, Київ, 2003 р., 2004 р.

Науково-практичній конференції “Сучасні проблеми телекомунікацій - 2003”, Львів, 2003 р.

VII, VIIІ Міжнародних науково-практичних конференціях “Системы и средства передачи и обработки информации ССПОИ-2003, ССПОИ-2004”, Одеса, 2003 р., 2004 р.

Міжнародній конференції “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії TCSET'2004”, Львів-Славсько, 2004 р.

Дисертаційна робота в повному обсязі доповідалася та обговорювалася на наукових семінарах кафедри “Телекомунікації” НУ “Львівська політехніка” (Львів, 2003-2004 р.р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 40 публікаціях, із них 27 - у фахових виданнях згідно переліку, затвердженого ВАК України, 4 - патенти України, 9 - у збірниках матеріалів та тез наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг дисертації - 184 стор., з яких 68 рисунків на 15 стор., 5 таблиць на 4 стор., 8 додатків на 26 стор., список джерел із 154 найменувань на 16 стор.

телекомунікаційний канал пропускний скручений



Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність розробки методів підвищення пропускної здатності ТКПД, показано зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів. Приведено дані про особистий внесок автора, апробацію результатів роботи та публікації.

У першому розділі розглянуто види та принципи побудови ТКПД. Найбільш розповсюдженими сьогодні є ТК на основі СЛЗ (СТСП). СЛЗ прийнято описувати теорією довгої лінії. Питанням розробки основних положень цієї теорії присвячені роботи українських і зарубіжних вчених Величка Ю.Т., Грицьківа Р.Д., Лосєва А.К., Гроднєва І.І., Верника С.М., Шинакова Ю.С., Колодяжного Ю.М., Жураковського Ю.П. та ін. Довгу двопровідну лінію прийнято характеризувати чотирма еквівалентними первинними (погонними) параметрами: опором втрат , індуктивністю , провідністю втрат та ємністю . Таку лінію описують хвильовими рівняннями, а з допомогою їх розв'язків можливо визначити коефіцієнти передавання за напругою, струмом, потужністю, затухання та вхідний опір лінії при комплексному навантаженні, якщо відомі первинні параметри та довжина СЛЗ. Для аналізу СЛЗ, що складаються з декількох компонентів, використовують матричні методи.

Існуючі математичні моделі дозволяють здійснювати аналіз симетричних повітряних або кабельних ліній зв'язку (ЛЗ) у діапазоні частот 0…1 МГц. Однак, сучасні ТК на основі СКЗ із великою кількістю скруток провідників у парі використовують значно ширшу смугу частот (0…125 МГц), а деякі види СКЗ сертифікують на відповідність стандартам у діапазоні частот до 350 МГц. На основі проведеного порівняння типових параметрів сучасних СКЗ та результатів їх обчислення за допомогою існуючих моделей встановлено, що ці моделі у діапазоні частот 0…350 МГц дають велику, неприпустиму для практики похибку. Тому необхідно удосконалити існуючі математичні моделі з метою підвищення точності обчислення основних параметрів СКЗ.

Одним з основних параметрів ТК є пропускна здатність, яка згідно формули Шеннона залежить від ширини смуги пропускання та відношення потужності сигналу до потужності шуму в каналі. Формула Шеннона справедлива для випадку, коли АЧХ каналу рівномірна у смузі частот , і в каналі діє завада у вигляді білого шуму з рівномірною енергетичною спектральною густиною (ЕСГ) та гаусівським розподілом амплітуд. Реальні ТК характеризуються нерівномірною АЧХ і нерівномірним розподілом ЕСГ шуму, тому ця формула не може бути безпосередньо використана для обчислення пропускної здатності таких каналів.

Таким чином, зроблено висновок, що для аналізу ТК на основі СЛЗ у широкому діапазоні частот (0…350 МГц) необхідно розробити математичні моделі та методи теоретичного й експериментального визначення пропускної здатності ТК із нерівномірною АЧХ і нерівномірним розподілом ЕСГ. Такі моделі та методи необхідні при розробці методів підвищення пропускної здатності ТКПД, які повинні базуватись на оптимізації параметрів ТК та удосконаленні методів модуляції сигналу.

У другому розділі розроблено метод визначення пропускної здатності ТК із довільною АЧХ при дії сигналу та шуму з нерівномірними ЕСГ, удосконалено математичну модель СТСП, розроблено математичні моделі ВТК та КТК (каналу тональної частоти).

Максимально можливу пропускну здатність реального неперервного ТК із довільною АЧХ при дії сигналу та шуму з нерівномірними ЕСГ можна визначити згідно запропонованого методу, який полягає у теоретичному або експериментальному визначенні ЕСГ сигналу й шуму, КПП каналу і використанні для обчислення формул (1-3):



,(1)

де , - нижня та верхня частоти смуги пропускання ТК; , - ЕСГ сигналу на вході каналу та шуму на виході каналу; - коефіцієнт передавання за потужністю ТК.

При ЕСГ сигналу на вході ТК та зосереджених джерелах шуму в каналі з однією ЛЗ довжиною (багатопарний СКЗ) пропускну здатність визначаємо згідно формули:

,(2)

де - ЕСГ -го джерела шуму, розташованого на відстані від кінця ЛЗ.

При дії потужних джерел завад (радіопередавачів, ліній електропередачі), які характеризуються розподілом ЕСГ вздовж ЛЗ, пропускна здатність ТК дорівнює:

,(3)

де - розподіл ЕСГ -го джерела шуму вздовж ЛЗ.

Математичну модель СЛЗ (СТСП) удосконалено шляхом уточнення формул для визначення первинних параметрів СЛЗ. Встановлено, що для визначення опору втрат СЛЗ на основі кабелів типу ТПП та НСП категорії 5е доцільно використовувати запропоновану формулу:

,(4)

де - опір провідників постійному струму; - табличні функції; - хвильове число в металі, , - діаметр і радіус провідника; - відстань між провідниками; - коефіцієнт, що враховує ефект скрутки проводів (, та - коефіцієнти видовження провідників у кабелі довжиною 1 м за рахунок скрутки проводів у парі, скрутки пар у групі та скрутки груп у кабелі відповідно).

При обчисленні первинної індуктивності найкраще співпадіння (із похибкою <1%) забезпечує наступна запропонована формула:

,(5)

де - коефіцієнт, що характеризує залежність індуктивності від конструкції кабеля (встановлено, що для кабеля НСП категорії 5е ) ; - абсолютна магнітна проникність металу, із якого виготовлені провідники, Гн/м, - таблична функція.

Експериментально встановлено, що збільшення кількості скруток проводів у парі призводить до зростання погонної ємності СКЗ, тому для точнішого обчислення (із похибкою <1%) слід використовувати формулу:

, (6)

де - коефіцієнт, що характеризує залежність ємності від кількості скруток проводів у парі;  - ефективна відносна діелектрична проникність ізолюючого матеріалу між провідниками; - коефіцієнт, який залежить від конструкції кабеля.

Для визначення первинної провідності втрат у діапазоні частот 0…350 МГц запропоновано три методи на основі запатентованих автором способів. Метод 1 визначення первинної провідності втрат СЛЗ (СКЗ) (пат. №66111 А України), метод 2 на частоті f (№66141 А України) та метод 3 і формула (пат. №66176 А України).

Найбільш зручно при моделюванні ТК застосовувати метод 3. В ньому запропоновано визначати первинну провідність втрат згідно формули:

,(7)

де і - коефіцієнти; - частота.

За допомогою запропонованого методу та формул математичної моделі СТСП встановлено значення коефіцієнтів  См/м,  1/Гц для кабеля типу НСП (UTP) 5 категорії 4х2х0,51 (24 AWG) із використанням типових значень затухання кабеля виробництва Anixter типу LANmark350 при значенні коефіцієнта . Оптимізація коефіцієнтів і здійснена за критерієм мінімальних середнього значення та середньоквадратичного відхилення відносної похибки обчисленого модуля затухання для досліджуваного кабеля відносно типового затухання в діапазоні частот 0…350 МГц, які не перевищують та відповідно, а відносна похибка знаходиться в межах від мінус 7 до .

Розроблена математична модель ВТК дозволяє визначити пропускну здатність ВТК 1, ВТК 2 та ВТК 3, побудованих із використанням двох, однієї та чотирьох двопровідних ЛЗ. Для ВТК 1 із використовуваними смугами пропускання передавального та приймального трактів і максимально можлива пропускна здатність дорівнює:

,(8)

де , - ЕСГ сигналу на вході передавального та приймального трактів відповідно; , - КПП передавального та приймального трактів; , - ЕСГ шуму в передавальному та приймальному трактах.

Пропускну здатність ВТК 2 обчислюємо згідно формули (8), але при цьому загальну смугу пропускання лінії розбиваємо на дві смуги та для передавального та приймального трактів відповідно. Для обчислення пропускної здатності ВТК 3 використовуємо формулу , а обчислюємо для кожної ЛЗ окремо згідно (8).

Математична модель КТК дозволяє обчислити пропускну здатність КТК 1 між абонентами однієї АТС та КТК 2 між абонентами двох різних АТС із врахуванням впливу АЧХ, амплітудних характеристик компонентів каналу, адитивних та мультиплікативних завад. У такому випадку максимально можлива пропускна здатність КТК 1 дорівнює:

,(9)

де , - ЕСГ сигналу із завадою та ЕСГ завади на виході ТК відповідно.

Аналогічно для обчислення пропускної здатності КТК 2 враховуємо передавальні характеристики усіх компонентів каналу та завади, що впливають на ці компоненти.

У третьому розділі для підтвердження точності розроблених математичних моделей проведено комп'ютерне моделювання досліджуваних ТК, а результати моделювання порівняно з результатами, отриманими за допомогою існуючих математичних моделей (для СЛЗ), вимогами стандартів та експериментальними вимірюваннями.

Встановлено, що удосконалена математична модель СТСП із використанням формули (7) дозволяє визначити пропускну здатність СЛЗ із відносною похибкою у діапазоні частот 0…350 МГц порівняно зі значенням пропускної здатності кабеля типу LANmark350 не більше 0,2%, а при використанні формули та знайденого значення коефіцієнта  См/(м·Гц) - не більше 0,7%. Для порівняння необхідно зазначити, що математична модель Лосєва А.К., Грицьківа Р.Д вносить похибку визначення пропускної здатності 6%, а математична модель Гроднєва І.І, Верника С.М. - 76%. Таким чином, удосконалена математична модель СТСП забезпечує найвищу точність визначення основних характеристик СЛЗ.

Також у даному розділі досліджено екранне затухання екранованих СКЗ, показано вплив комплексного навантаження ВТК на нерівномірність передавальних характеристик ЛЗ у діапазоні частот, отримано формули для обчислення максимально можливої пропускної здатності ВТК із використанням технології ADSL та досліджено вплив на неї білого шуму та імпульсних завад.

Досліджено вплив зміни первинних параметрів СКЗ у різних кліматичних умовах на пропускну здатність. Встановлено, що при підвищенні температури оточуючого середовища до +60 С та вологості до 100% пропускна здатність СКЗ зменшується на 12…14%, при довготривалій експлуатації кабеля в крайніх кліматичних умовах - на 34%. В умовах 100% вологості при пошкодженні ізоляції провідників або при розгерметизації з'єднувальних муфт пропускна здатність кабеля понижується настільки, що передавання даних стає неможливим.

З використанням розроблених математичних моделей розраховані пропускні здатності КТК 1 та КТК 2, які є близькими до експериментальних значень. Встановлено, що пропускна здатність КТК 1 на основі координатної АТС значно перевищує пропускну здатність КТК 1 на основі цифрової АТС. Пропускна здатність КТК 2 зростає в 1,4 рази при використанні повної смуги пропускання каналу та збільшенні потужності сигналу до допустимого рівня.

У четвертому розділі на основі аналізу за допомогою розроблених математичних моделей та експериментальних досліджень розроблено метод підвищення пропускної здатності ТК шляхом оптимізації первинних параметрів СЛЗ та метод збільшення швидкості передавання даних через ТК шляхом удосконалення методів модуляції сигналу.

Метод підвищення пропускної здатності ТК шляхом оптимізації первинних параметрів СЛЗ полягає у визначенні таких параметрів , , та , при яких пропускна здатність буде максимальною. У результаті проведеного дослідження встановлено, що ТК на основі СКЗ з оптимізованими згідно розробленого методу первинними параметрами у діапазоні частот 0…12 МГц при навантаженні  Ом характеризується пропускною здатністю Мбіт/с (рис. 1), що перевищує пропускну здатність кабеля ТППэп 10х2х0,5 у 4,2 рази. Оптимізовані значення первинних параметрів СКЗ довжиною 1500 м досягнуто при діаметрі провідників  мм, коефіцієнті  См/(м?Гц), відносній діелектричній проникності діелектрика та індуктивності  мкГн/м (на частоті 1 кГц). Приведені значення параметрів кабеля є рекомендованими для впровадження у виробництво.

Для збільшення кількості даних, які можна передати за один інформаційний такт, удосконалено метод модуляції КАМ-16 шляхом введення додаткової третьої складової. Метод 1 полягає у використанні трьох складових, зсунутих між собою по фазі на/2, а метод 2 - на /3. У першому випадку

,(10)

де , , - біполярні модулюючі дискретні сигнали.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для демодуляції слід помножити сигнал (10) на сигнали та . Тоді сигнали на виходах першого та другого демодуляторів після фільтрів низької частоти дорівнюють , . Відповідні епюри напруг приведені на рис. 2.

При  В,  В,  В одержимо 8 комбінацій сигналів на входах модулятора та 6 неповторюваних комбінацій на виходах демодуляторів. При цьому рівні амплітуд сигналів на вході модулятора відрізняються на величину  В, а на виходах демодуляторів - на  В, як і при ФМ-4. Отже, завадостійкість такого сигналу від адитивної завади при однакових модулюючих сигналах така ж, як і при використанні ФМ-4, а кількість даних, яку можна передати, у півтора рази більша. У випадку чотирирівневої амплітудної модуляції кожної з трьох складових одержимо 64 комбінації сигналів на входах модулятора та 28 неповторюваних комбінацій на виходах демодуляторів. При цьому рівні амплітуд сигналів на вході модуляторів відрізняються на величину  В, а на виході демодуляторів - на  В, як і при КАМ-16. Отже, завадостійкість такого сигналу від адитивної завади при однакових модулюючих сигналах така ж, як і при використанні КАМ-16, а кількість даних, яку можна передати, у 1,75 рази більша. При фазових зсувах між трьома складовими сигнал на виході модулятора

.(11)

При цьому отримано 36 неповторюваних комбінацій на виходах демодуляторів, а кількість даних, яку можна передати, у 2,25 рази більша порівняно з КАМ-16.

Таким чином, розроблений метод збільшення швидкості передавання даних через ТК шляхом удосконалення методів модуляції сигналу дозволяє підвищити пропускну здатність ТК без модернізації ЛЗ.

В п'ятому розділі розроблено метод експериментального визначення максимально можливої пропускної здатності ТК, який базується на запропонованих методиках дослідження ВТК та КТК із використанням запатентованого автором пристрою для вимірювання середньоквадратичного значення напруги змінного струму (пат. №62369 А України), за допомогою якого проведено дослідження ТК на основі СЛЗ. Результати досліджень порівняно з результатами моделювання таких каналів, одержаними в третьому розділі. Встановлено, що результати моделювання та експериментальних досліджень, проведених із використанням запропонованих методів та методик, співпадають з високою точністю.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В додатках наведені таблиці з можливими комбінаціями сигналів на виходах демодуляторів при використанні удосконалених методів модуляції сигналу, еквівалентні схеми розмовних трактів АТС і формули розроблених математичних моделей, що не ввійшли в основну частину дисертації, та документи про впровадження результатів дисертаційної роботи.



Основні результати роботи та висновки

У дисертаційній роботі розв'язана важлива наукова задача - розроблено методи підвищення пропускної здатності та математичні моделі телекомунікаційних каналів на основі симетричних ліній (кабелів) зв'язку і проведено аналіз таких каналів при передаванні даних. Результати, отримані в дисертаційній роботі, доведено до практичної реалізації та впровадження.

В роботі одержано такі основні результати:

Уперше розроблено метод підвищення пропускної здатності телекомунікаційного каналу шляхом оптимізації первинних параметрів симетричної лінії зв'язку та метод збільшення швидкості передавання даних через телекомунікаційний канал шляхом удосконалення методів модуляції сигналу, які дозволяють підвищити пропускну здатність каналу в 1,75…4,2 рази.

Удосконалено математичну модель середовища типу “скручена пара” на основі запропонованих методів визначення первинної провідності втрат з використанням запатентованих автором способів (пат. №66111 А, №66141 А України) та уточненням формул для визначення первинних опору втрат, індуктивності та ємності, що дозволило визначати основні параметри середовища в широкому діапазоні частот (від 0 до 350 МГц).

Уперше розроблено математичні моделі виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів із використанням удосконаленої математичної моделі середовища типу “скручена пара” та запропонованих формул для обчислення пропускної здатності, що дозволило здійснювати аналіз та визначати пропускну здатність виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів з довільною АЧХ при дії сигналу та шуму з нерівномірними енергетичними спектральними густинами в діапазоні частот до 350 МГц.

Запропоновано метод визначення максимально можливої пропускної здатності телекомунікаційного каналу з довільною АЧХ при дії сигналу та шуму з нерівномірними енергетичними спектральними густинами. Досліджено чисельні методи визначення максимально можливої пропускної здатності телекомунікаційного каналу, знайдено максимальні похибки обчислення при їх використанні та дані рекомендації щодо їх застосування для різних типів каналів.

Запропоновано нові метод та формулу для визначення первинної провідності втрат симетричної лінії (кабеля) зв'язку в діапазоні частот від 0 до 350 МГц на основі запатентованого автором способу (пат. №66176 А України), який дозволяє підвищити точність визначення параметрів телекомунікаційного каналу в широкому діапазоні частот.

Розроблено метод експериментального визначення максимально можливої пропускної здатності телекомунікаційного каналу, який базується на запропонованих методиках дослідження виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів, методі вимірювання середньоквадратичного значення напруги змінного струму в умовах адитивної низькочастотної завади і запропонованих автором формулах для визначення пропускної здатності виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів. Застосування розробленого методу дозволяє оцінити придатність телекомунікаційного каналу для передавання даних із необхідною швидкістю без наявності спеціалізованого вимірювального обладнання, що дає значний економічний ефект.

Запропоновано метод вимірювання середньоквадратичного значення напруги змінного струму в умовах адитивної низькочастотної завади з використанням запатентованого автором способу та пристрою для його здійснення (пат. №62369 А України), який дозволяє проводити дослідження телекомунікаційного каналу в умовах низькочастотних адитивних завад та підвищити точність вимірювання середньоквадратичних значень напруги змінного струму періодичних сигналів при дослідженні телекомунікаційного каналу.

За допомогою розроблених математичних моделей проведено моделювання основних типів середовища типу “скручена пара”, виділеного і комутованого телекомунікаційних каналів, що дозволило дослідити зміну їх пропускних здатностей при дії адитивних і мультиплікативних завад у різних кліматичних умовах та при комплексному навантаженні. Встановлено, що результати моделювання та експериментальних досліджень, проведених з використанням запропонованих методів та методик, співпадають з високою точністю.

Розроблені в роботі методи підвищення пропускної здатності та математичні моделі і методики доцільно використовувати при проектуванні нових та модернізації існуючих телекомунікаційних каналів передавання даних.



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Метод підвищення пропускної здатності телекомунікаційного каналу шляхом оптимізації первинних параметрів симетричної лінії зв'язку // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2003. - Вип. 22. - С. 14-20.

2. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Математична модель середовища типу “вита пара” // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2002. Вип. 16. - С. 147-157.

3. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Математична модель виділеного телекомунікаційного каналу зв'язку // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2002. Вип. 17. - С. 12-20.

4. Горбатий І.В. Теоретичне дослідження пропускної здатності комутованого телекомунікаційного каналу між абонентами однієї АТС // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2003. - Вип. 21. - С. 166-173.

5. Горбатий І.В. Дослідження пропускної здатності комутованого телекомунікаційного каналу між абонентами двох АТС // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2004. - Вип. 26. - С. 101-107.

6. Горбатий І.В. Методи визначення первинної провідності втрат G0 симетричної лінії зв'язку // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2003. - Вип. 19. - С. 66-71.

7. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Дослідження характеристик середовища типу “вита пара” // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології”. - Львів, 2002. - №468. - С. 18-24.

8. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Методи визначення максимально можливої пропускної здатності каналу зв'язку з нерівномірним розподілом шуму // Відбір і обробка інформації. - Львів, 2003. - Вип. 19(95). - С. 83-88.

9. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Метод експериментального визначення максимально можливої пропускної здатності телекомунікаційного каналу // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2004. - Вип. 24. - С. 125-132.

10. Горбатий І.В. Дослідження телекомунікаційних каналів зв'язку в умовах низькочастотних адитивних завад // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Київ, 2002. - Вип. 18. - С. 200-207.

11. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Оцінки точності визначення параметрів симетричної лінії зв'язку з використанням різних математичних моделей // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2003. - Вип. 20. - С. 176-184.

12. Тимченко О., Горбатий І. Моделювання поширення сигналу в середовищі типу “вита пара” // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології”. - Львів, 2003. - №481. - С. 72-78.

13. Тимченко О., Горбатий І. Дослідження характеристик середовища типу екранована “вита пара” // Комп'ютерні технології друкарства. Зб. наук. пр. Львів: Фенікс, 2003. - №10. - С. 121-127.

14. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Комп'ютерне моделювання поширення сигналу в кабелі типу “скручена пара” довільної довжини при комплексному навантаженні // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика”. - Львів, 2004. - №501. - С. 154-158.

15. Тимченко О., Горбатий І. Комп'ютерне моделювання впливу кліматичних умов на пропускну здатність виділеного телекомунікаційного каналу зв'язку // Комп'ютерні технології друкарства. Зб. наук. пр. - Львів: Фенікс, 2004. - Вип. 11.- С. 151-159.

16. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Методика експериментального дослідження і атестації комутованого телефонного каналу зв'язку // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2002. - Вип. 12. - С. 133-140.

17. Тимченко О., Горбатий І. Методика підвищення пропускної здатності комутованого телефонного каналу зв'язку при передачі цифрових даних // Комп'ютерні технології друкарства. Зб. наук. пр. - Львів: Фенікс, 2002. - Вип. 9. - С. 142 - 149.

18. Пат. №66111 А Україна, МПК7 Н04В3/40. Спосіб визначення первинної провідності втрат G0 симетричної лінії зв'язку в діапазоні частот від 0 до 50 Мгц / І.В. Горбатий - №2003077094; Заявл.28.07.2003; Опубл. 15.04.2004, Бюл. № 4. - 6 с.

19. Пат. №66141 А Україна, МПК7 Н04В3/40. Спосіб визначення первинної провідності втрат G0 симетричної лінії зв'язку на частоті F у діапазоні частот від 0 до 125 Мгц / І.В Горбатий - №2003087323; Заявл. 04.08.2003; Опубл. 15.04.2004, Бюл. № 4. - 6 с.

20. Пат. №66176 А Україна, МПК7 Н04В3/40. Спосіб визначення первинної провідності втрат G0 симетричної лінії зв'язку в діапазоні частот від 0 до 125 Мгц / І.В. Горбатий - №2003087516; Заявл. 11.08.2003; Опубл. 15.04.2004. Бюл. № 4. - 6 с.

21. Пат. №62369 А Україна, МПК7 G01R19/02. Спосіб вимірювання середньоквадратичного значення напруги змінного струму та пристрій для його здійснення / І.В. Горбатий - №2003032170; Заявл. 12.03.2003; Опубл. 15.12.2003, Бюл. № 12. - 12 c.

22. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Методи визначення максимально можливої пропускної здатності каналу зв'язку з довільною АЧХ // Труды VII Международной НПК “Системы и средства передачи и обработки информации” ССПОИ-2003, Академия связи Украины, ОНАС. - Одесса, 2003. - С. 114-115.

23. Gorbatyy I. Formula for calculation of the conductivity of symmetrical communication link within the range of frequencies from 0 to 125 MHz // Proc. of the International Conf. on Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science TCSET'2004. - Lviv-Slavsko (UKRAINE), 2004. - P 385-387.

24. Tymchenko A., Gorbatyy I. Modeling of noise influense on the data transmission throughput of leased telecommunication channel // Proc. of the VII International Conf. on the Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics CADSM 2003. - Lviv-Slavsko (UKRAINE), 2003. - P 164-166.

25. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Методика оптимізації первинних параметрів симетричної лінії зв'язку // Труды VIIІ Международной НПК “Системы и средства передачи и обработки информации” ССПОИ-2004, Академия связи Украины, ОНАС. - Одесса, 2004. - С. 96-97.

26. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Моделювання процесів передавання даних у телекомунікаційному каналі при використанні квадратурної амплітудної модуляції // Тези ХХІІІ НТК “Моделювання”. - К., 2004. - С. 20-22.

27. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Моделі каналу передачі даних комп'ютерних мереж // Праці Міжнародної конференції з індуктивного моделювання МКІМ-2002. - Львів, 2002. -С. 143-146.



Анотація

Горбатий І.В. Розробка методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних каналів передавання даних. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2005.

Дисертація присвячена розробці методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних каналів передавання даних шляхом оптимізації їх параметрів з використанням розроблених математичних моделей та удосконалення методів модуляції сигналу.

Удосконалено математичну модель середовища типу “скручена пара” для підвищення точності обчислення основних параметрів середовища у діапазоні частот 0…350 МГц. Розроблено математичні моделі для визначення максимально можливої пропускної здатності виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів у широкому діапазоні частот, теоретичний та експериментальний методи визначення пропускної здатності і методики експериментального дослідження виділеного та комутованого телекомунікаційних каналів. На основі розроблених математичних моделей та методів визначення пропускної здатності здійснено дослідження й аналіз існуючих телекомунікаційних каналів та розроблено методи підвищення пропускної здатності таких каналів.

Ключові слова: телекомунікаційний канал передавання даних, середовище типу “скручена пара”, пропускна здатність, модуляція.



Аннотация

Горбатый И.В. Разработка методов повышения пропускной способности телекоммуникационных каналов передачи данных. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - Радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2005.

Диссертация посвящена разработке методов повышения пропускной способности телекоммуникационных каналов передачи данных путем оптимизации их параметров с использованием разработанных математических моделей и усовершенствования методов модуляции сигнала.

Усовершенствована математическая модель среды типа “витая пара” на основе предложенных методов определения первичной проводимости потерь с использованием запатентованных автором способов и уточнением формул для определения первичных сопротивления потерь, индуктивности и емкости, что позволило определять основные параметры среды в широком диапазоне частот (0…350 МГц).

Разработаны математические модели выделенного и коммутированного телекоммуникационных каналов с использованием усовершенствованной математической модели среды типа “витая пара” и предложенных формул для вычисления пропускной способности, что позволило осуществлять анализ и определять пропускную способность выделенного и коммутированного телекоммуникационных каналов с произвольной АЧХ при действии шума с неравномерной энергетической спектральной плотностью в диапазоне частот до 350 МГц.

Предложен метод определения максимально возможной пропускной способности телекоммуникационного канала с произвольной АЧХ при действии сигнала и шума с неравномерными энергетическими спектральными плотностями. Исследованы численные методы определения максимально возможной пропускной способности телекоммуникационного канала, найдены максимальные погрешности вычисления при их использовании и даны рекомендации относительно их применения для различных типов каналов.

Предложены новые метод и формула для определения с высокой точностью первичной проводимости потерь симметричной линии (кабеля) связи в диапазоне частот 0…350 МГц на основе запатентованного автором способа для определения проводимости потерь.

Разработан метод экспериментального определения максимально возможной пропускной способности телекоммуникационного канала, который базируется на предложенных методиках исследования выделенного и коммутированного телекоммуникационных каналов, методе измерения среднеквадратичного значения напряжения переменного тока в условиях аддитивной низкочастотной помехи и предложенных автором формулах для определения пропускной способности выделенного и коммутированного телекоммуникационных каналов. Применение разработанного метода позволяет оценить пригодность телекоммуникационного канала для передачи данных с необходимой скоростью без наличия специализированного измерительного оборудования, что дает значительный экономический эффект.

Предложен метод измерения среднеквадратичного значения напряжения переменного тока в условиях аддитивной низкочастотной помехи с использованием запатентованного автором способа и устройства для его осуществления, что разрешает проводить исследования телекоммуникационного канала в условиях низкочастотных аддитивных помех и повысить точность измерения среднеквадратичных значений напряжения переменного тока периодических сигналов при исследовании телекоммуникационного канала.

С помощью разработанных математических моделей проведено моделирование основных типов среды типа “витая пара”, выделенного и коммутированного телекоммуникационных каналов, что позволило исследовать изменение их пропускных способностей при действии аддитивных и мультипликативных помех в разных климатических условиях и при комплексной нагрузке. Установлено, что результаты моделирования и экспериментальных исследований, проведенных с использованием предложенных методов и методик, совпадают с высокой точностью.

На основе разработанных математических моделей и методов определения пропускной способности осуществлены исследования и анализ существующих телекоммуникационных каналов и разработаны методы повышения пропускной способности таких каналов путем оптимизации их параметров и усовершенствования методов модуляции сигнала.

Разработанные в работе методы повышения пропускной способности, математические модели и методики целесообразно использовать при проектировании новых и модернизации существующих телекоммуникационных каналов передачи данных.

Ключевые слова: телекоммуникационный канал передачи данных, среда типа “витая пара”, пропускная способность, модуляция.



Abstract

Gorbatyy I.V. Development of the methods for increasing of reception capacity of the data transmission telecommunication channels. - Manuscript.

Ph.D. thesis by speciality 05.12.13 - radio engineering devices and telecommunication facilities. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2005.

The thesis is dedicated for development of the methods for increasing of reception capacity of the data transmission telecommunication channels by way of optimization their parameters with use designed mathematical models and improvements of the modulation methods of the signal.

The mathematical model of the ambience of the type "twisted pair" was improved for increasing of accuracy of the calculation main ambience parameters within the range of frequencies 0…350 MHz. Mathematical models for determination of greatly possible reception capacity of leased and switched telecommunication channels in wide range of the frequencies, theoretical and experimental methods of the determination of reception capacity and methodses of the experimental study of leased and switched telecommunication channels was designed. On base designed mathematical models and methods of the determination of reception capacity the studies and analysis of existing telecommunication channels was realized and the methods of increasing of reception capacity of such channels was designed.

Key words: data transmission telecommunication channel, ambience of the type "twisted pair", reception capacity, modulation.

Размещено на Allbest.ru

...