Розробка і дослідження методів контролю характеристик каналів зв’язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ ТА ЗВ'ЯЗКУ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО

«УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЗВ'ЯЗКУ»

УДК 621.391.8

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка і дослідження методів контролю характеристик каналів зв'язку

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Коновалов Олексій Юрійович

КИЇВ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному підприємстві «Український науково-дослідний інститут зв'язку» Міністерства транспорту та зв'язку України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Флейта Юрій Вікторович, Одеська національна академія зв'язку ім. О. С. Попова Міністерства транспорту та зв'язку України, доцент кафедри основ схемотехніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Віноградов Микола Анатолійович, Національний авіаційний університет МОН України (м. Київ), професор кафедри комп'ютерних інформаційних технологій (Інститут комп'ютерних технологій)

кандидат технічних наук Чумак Олександр Ілліч, Воєнно-дипломатична академія Міністерства оборони України, заступник начальника факультету з навчальної роботи

Захист відбудеться 05 листопада 2010 року о 15 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К 26.849.01 Українського науково-дослідного інституту зв'язку за адресою: 03110, м. Київ-110, вул. Солом'янська, 3.

З дисертаційною роботою можна ознайомитися в бібліотеці Українського науково-дослідного інституту зв'язку за адресою: 03110, м. Київ-110,

вул. Солом'янська, 3.

Автореферат розісланий 04 жовтня 2010 року

Вчений секретар

cпеціалізованої вченої ради К 26.849.01 Я. І. Торошанко

кореляційний вимірювання імітаційний моделювання

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З усіх галузей сучасної науки і техніки, телекомунікації розвиваються найбільш стрімкими темпами. Сучасне суспільство вже неможливо представити без тих досягнень, які були зроблені в цій галузі за останній час. Відмітною особливістю сучасного етапу їх розвитку є необхідність підвищення ефективності їх використання і поліпшення якості роботи.

Рішення цієї задачі безпосередньо пов'язане з якістю використовуваних систем і пристроїв передачі інформації. Серед таких засобів можна виділити канали зв'язку, як об'єкти, що в першу чергу впливають на процес передачі повідомлень. Тому, контроль за показниками якості роботи каналів, до яких належать їх характеристики, представляється особливо важливим. Питання контролю характеристик каналів зв'язку розглядались в роботах вітчизняних та зарубіжних вчених таких, як Вєрнік С. М., Кушнір Ф. В., Савєнко В. Г., Клюєв В. І., Рудницький В. Б., Соловьйов М. М., Клюхін В. В., Ромбро В. С., Мартишевський К. М., Фарбер Ю. Д., Ейкхофф П. та інших. Більше того, такий контроль повинен здійснюватися безперервно, що дозволить отримувати інформацію про характеристики каналів, що знаходяться безпосередньо в режимі передачі.

Поєднані вимірювання характеристик каналів є тим інструментом, який дозволяє вирішити завдання безперервного контролю якості каналів зв'язку. Під поєднаними вимірюваннями розуміється одночасність передачі вимірювального і інформаційного сигналів систем зв'язку з перекриттям по спектру. Ця обставина істотним чином визначає специфіку пристроїв контролю, як пристроїв, що працюють без перерви зв'язку. Така специфіка, будучи в корені відмінною від специфіки традиційних засобів контролю каналів, полягає в наступному:

- використання шумоподібних вимірювальних сигналів малої потужності;

- кореляційна обробка даних;

- реалізація пристроїв контролю на підставі обчислювальних структур.

Вирішувана задача набула практичного сенсу лише сьогодні, коли широке застосування отримали персональні комп'ютери і ефективні програмні засоби цифрової обробки сигналів. Таким чином, тема присвячена розробці, дослідженню ефективних методів і пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку, які дозволяють проводити контроль в режимі передачі інформації є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та впровадження результатів. Розглянуті в дисертаційній роботі питання пов'язані з вирішенням науково-технічних задач, які сформульовані у «Концепції розвитку зв'язку та інформатизації України до 2010 року», і затверджені Постановою КМУ № 223/8 від 09.12.99 р.; а також у цільовій державній програмі “Телекомунікаційні системи та інвестиційні ресурси”.

Дисертаційна робота виконана в рамках НДР, що проводяться Українським науково-дослідним інститутом зв'язку: «Підвищення ефективності технічної експлуатації мережі передавання даних ВАТ «Укртелеком» (тема № 579/2008-24, держ. реєстр. №0108U010084); «Розробка доцільних варіантів реконструкції і розширення системи радіозв'язку ДК Укртрансгаз» НАК «Нафтогаз України» на принципах мереж наступного покоління» (тема № П729/2009-24, держ. реєстр. № 0109U06852).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка та дослідження методів контролю характеристик каналів зв'язку, які дозволяють проводити контроль в режимі передачі інформації.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

- аналіз відомих рішень в галузі контролю характеристик каналів зв'язку;

- розробка теоретичних положень методу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку;

- структурний синтез пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку;

- створення математичної моделі процесу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку;

- дослідження кількісних та якісних показників різних модифікацій методу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку шляхом проведення імітаційного моделювання.

Об'єктом досліджень є параметри та характеристики каналів зв'язку.

Предметом досліджень є методи контролю характеристик каналів зв'язку.

Методами досліджень, які використовувались в дисертаційній роботі, є методи статистичної теорії зв'язку, теорії некоректних задач, теорії гомоморфної обробки сигналів, теорії статистичних випробувань Монте-Карло, цифрової обробки сигналів, регресійного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Отримав подальший розвиток метод поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку. Запропоновано нову модифікацію методу на підставі запропонованого кепстрального регуляризованого рішення основного рівняння вимірювань та рекомендації по вибору способу його рішення.

2. Вперше отримано вирази, які встановлюють зв'язок між частотними, часовими та енергетичними параметрами сигналів при поєднаних кореляційних вимірюваннях, на підставі яких визначено критерій здійсненності процесу поєднаних кореляційних вимірювань у реальному масштабі часу.

3. Отримали подальший розвиток дослідження методу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку. На підставі розробленої математичної моделі процесу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку, проведено дослідження різних модифікацій методу.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Результати теоретичних досліджень методів контролю характеристик каналів зв'язку в процесі передавання інформації можуть бути використані при розробці ефективних пристроїв контролю цих характеристик.

2. Метод поєднаних кореляційних вимірювань, дозволяє проводити контроль характеристик каналів під час передачі по ним інформації. Це дозволяє зменшити збитки від вилучення каналів із роботи на час контролю показників якості, вести безперервний контроль якості роботи, зменшити витрати на проведення профілактики каналів;

3. Метод поєднаних кореляційних вимірювань характеризується структурною універсальністю, що дозволяє проводити його реалізацію відповідно до різних каналів.

Особистий внесок здобувача. Результати, яки складають основний зміст роботи, автором отримані самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: в [1] - вибір і обґрунтування методики дослідження: в [4] - метод рішення інтегрального рівняння, рекомендації по вибору способу рішення основного рівняння вимірювань; в [5] - постановка задачі, співвідношення між параметрами сигналів; в [6] - концепція моделювання процесу вимірювання та принцип функціонування моделі, результати моделювання при використанні шумоподібного вимірювального сигналу; в [7] - алгоритм та програма моделювання, моделі функціональних перетворювачів; в [12] - аналіз методів рішення інтегрального рівняння.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати, які отримані в дисертаційній роботі, доповідались та обговорювалися на науково-технічних конференціях [10, 12, 14] та науково-практичних семінарах [8, 9, 13] (з публікаціями), а також на 9-й міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми управління мережами та послугами телекомунікацій», вересень 2010 р. (без публікації).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 14 наукових робіт, в тому числі: 6 - у фахових наукових виданнях за переліком Вищої атестаційної комісії України, 2 - в інших наукових виданнях ; 6 - матеріали науково-практичних конференцій та семінарів.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів з висновками, висновку до роботи, списку використаних джерел та додатку. Робота викладена на 155 сторінках і містить 141 сторінку основного тексту з 4 таблицями і 36 рисунками, список використаних джерел із 121 найменування на 11 сторінках, додатки на 3 сторінках (акти впровадження в НДР та навчальний процес).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність досліджень, сформульована мета та завдання роботи, охарактеризовано методи досліджень, показана наукова новизна та практична цінність роботи, приведені відомості по апробації роботи, впровадженню, публікаціям по темі дисертації та стислий зміст по розділам.

У першому розділі приведено аналітичний огляд методів контролю характеристик каналів зв'язку. Дана класифікація методів визначення характеристик каналів зв'язку. Виявлено переваги та недоліки основних методів. На підставі проведеного аналізу встановлено що:

- методи контролю характеристик каналів зв'язку повинні припускати використання спеціальних вимірювальних сигналів, завдяки чому досягається незалежність процесів контролю від наявності і особливостей інформаційних сигналів;

- використання шумоподібних вимірювальних сигналів, в загальному випадку, є більш прийнятним ніж гармонічних, оскільки дозволяє робити виміри при потужності вимірювального сигналу, порівнянній з потужністю природного шуму каналу. Іншою перевагою шумоподібних вимірювальних сигналів можна вважати те, що при реалізації методів з їх використанням, не виникає необхідності в застосуванні яких-небудь прецизійних частотно-вибіркових ланцюгів. Крім того, враховуючи, що спектр шумоподібних вимірювальних сигналів наближається до суцільного, відкривається можливість отримання інформації про частотні характеристики в будь-якій точці смуги пропускання каналу;

- найбільш перспективними слід вважати повністю суміщені методи вимірювання, тобто методи, що припускають поєднання вимірювального і робочого сигналів в каналі, як за часом, так і по спектру;

- спосіб обробки вимірювального сигналу на приймальній стороні пристрою вимірювання повинен забезпечувати ефективне виділення цього сигналу з адитивної суміші з інформаційним сигналом, яка присутня на виході каналу. Цій вимозі повною мірою відповідає варіант кореляційної обробки вимірювального сигналу.

Проте, багато питань теорії і практики контролю характеристик каналів зв'язку залишаються відкритими або недостатньо вивченими. Слід зазначити, що література по повністю суміщених вимірах не дозволяє скласти досить конкретні виводи з таких питань як:

– вибір методу рішення інтегрального рівняння, що описує виміри;

– вибір вимірювальних сигналів та їх параметрів;

– співвідношення між частотними, часовими і енергетичними параметрами сигналів;

– умови здійсненності вимірів у реальному масштабі часу;

– погрішність виміру;

– тривалість вимірів.

Ці обставини ускладнюють вибір методу виміру для його практичної реалізації і ставлять завдання додаткового дослідження перерахованих питань.

У другому розділі розглянуті основні положення методу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку. Розгляд виконано на підставі аналізу проблеми рішення основного рівняння сумісних кореляційних вимірювань

(1)

де - взаємна кореляційна функція (ВКФ) вимірювального сигналу z(t) та інформаційного сигналу x(t) на вході каналу; - автокореляційна функція (АКФ) вимірювального сигналу z(t); причому ; g(t) - шукана імпульсна характеристика каналу;;- взаємна кореляційна функція вимірюваного сигналу z(t) та вихідного сигналу каналу у(t), яка підлягає експериментальному визначенню; ; U, B, V - метричні простори.

Задача знаходження рішення такого рівняння на парі (U, V) є некоректною через наявність обов'язкової похибки визначення правої частини. У зв'язку з цим розглянуто різні варіанти регуляризованого рішення рівняння:

– F/SP рішення в спектральній області з використанням перетворення Фур'є, використовується в теорії некоректних задач;

– SP/W рішення в спектральній області на множині W фільтруючих функцій;

– H/SP рішення в спектральній області з використанням перетворення Хартлі, є розвитком F/SP рішення в напрямку підвищення ефективності відповідної обчислювальної процедури;

– A/F рішення з використанням процедури адаптивної фільтрації, непряме рішення на підставі методології теорії адаптивних систем;

– F/CP рішення в кепстральній області з використанням перетворення Фур'є, відповідний апарат розроблено в теорії гомоморфної обробки сигналів;

– H/CP рішення в кепстральній області з використанням перетворення Хартлі, рішення не потребує точного знання B_zz(t) і має суттєві обчислювальні переваги перед F/CP рішенням за рахунок чисто дійсного характеру перетворення Хартлі, на відміну від комплексного характеру перетворення Фур'є.

Відмічено, що Н/CP рішення представляє найбільший інтерес з точки зору розвитку теорії поєднаних кореляційних вимірювань. Це рішення може бути представлено у наступному вигляді:

(2)

де - шукана оцінка g(t); Н - символ перетворення Хартлі; - кепстр функції B_zy(t) в області прямого перетворення Хартлі; q - частота; Г(q) - кепстральне регуляризуюче вікно.

У той же час з практичної точки зору найбільш привабливими є F/SP та SP/W рішення, тому що вони відповідають найбільш простим реалізаціям пристроїв контролю. Приведені рекомендації, що дозволяють проводити доцільний вибір типу рішення у залежності від конкретних умов.

На підставі аналізу приблизного рішення основного рівняння поєднаних кореляційних вимірювань встановлені співвідношення між частотними, часовими та енергетичними параметрами сигналів при суміщених кореляційних вимірюваннях:

(3)

де T_об - час обробки вимірюваного сигналу; Щ - ефективна смуга частот спектру вимірюваного сигналу z(t); h - відношення сигнал/завада на вході контрольованого каналу; - середньоквадратична похибка (СКП) вимірювання; значення відповідають граничному випадку обробки максимально вузькосмугового вимірювального сигналу z(t) за мінімальний час і визначаються наступними виразами:

(4)

Співвідношення (4) дозволяють отримати простий, але практично дуже важливий критерій здійсненності вимірювань у реальному масштабі часу. Так якщо виконується умова

(5)

де - час обчислення N-точкового дискретного лінійного інтегрального перетворення, який залежить від типу самого перетворення, ефективності алгоритму його реалізації, часу виконання базової операції в ЕОМ та об'єму вибірки N, то можливе виконання поєднаних кореляційних вимірювань у реальному масштабі часу. Аналіз результатів досліджень по порівняльній швидкодії різних дискретних спектральних перетворень дозволяє стверджувати, що умова (5) для довільного каналу зв'язку з найбільшою вірогідністю виконується при використані дискретного перетворення Хартлі, що реалізується швидким алгоритмом Брєйсуела. Значення приведених вище виразів полягає в конкретизації взаємозв'язку частотних, часових та енергетичних параметрів сигналів при поєднаних кореляційних вимірюваннях. Це дозволяє в теоретичному плані знаходити узгоджене з початковими даними регуляризоване рішення основного рівняння вимірювань, а в практичному плані, виконати розробку пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку.

На підставі аналізу розроблених теоретичних положень, дано алгоритмічне представлення методу поєднаних кореляційних вимірювань, яке реалізує F/SP та SP/W - рішення основного рівняння поєднаних кореляційних вимірювань.

Розглянуто питання визначення основних параметрів шумоподібного вимірювального сигналу. Отримані вирази для розрахунку таких параметрів вимірювального сигналу як амплітуда, тривалість імпульсу, база сигналу, час підключення до каналу.

Розглянуто питання впливу лінійних спотворень характеристик каналу на функцію взаємної кореляції вимірювального сигналу.

У третьому розділі розглянуті питання структурного синтезу пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку. Основна увага приділена синтезу пристроїв контролю, які реалізують F/SP та SP/W рішення основного рівняння суміщених кореляційних вимірювань.

Структурна схема пристрою контролю, який реалізує F/SP рішення основного рівняння, приведена на рис. 1.



Рис. 1. Структурна схема пристрою контролю

Позначення на рис. 1 ГВШПС - генератор вимірювального шумоподібного сигналу, БВВС - блок визначення взаємного спектру, ГОШПС - генератор опорного шумоподібного вимірювального сигналу, ПВТЧ - пристрій виділення тактової частоти, ОККП - обчислювач комплексного коефіцієнту передавання, ОЧХ - обчислювач частотних характеристик, ЦРФ - цифровий фільтр, БП - блок порівняння.

Синтезована схема працює таким чином. Вимірювальний сигнал z(t), що виробляється генератором вимірювального шумоподібного сигналу ГВШПС, подається на суматор в передавальній частині пристрою контролю, на другий вхід якого поступає інформаційний сигнал x(t) системи зв'язку. На виході суматора утворюється адитивна суміш у(t) сигналів x(t) і z(t). Ця суміш поступає безпосередньо на вхід контрольованого каналу. При цьому, на виході каналу спостерігається перетворений сигнал у'(t), який вже піддався амплітудним і фазовим спотворенням цього каналу. Цей сигнал поступає на перший вхід блоку визначення взаємного спектру БВВС. На другий вхід БВВС подається опорний сигнал z''(t) ? z'(t), що виробляється генератором опорного шумоподібного вимірювального сигналу ГОШПС. Робота ГОШПС забезпечується пристроєм виділення тактової частоти ПВТЧ, який служить для відновлення тактової частоти шумоподібного вимірювального сигналу z'(t) і реалізовується на основі системи фазової автопідстройки частоти ФАПЧ. Таким чином в БВВС проводиться визначення взаємного спектру ВС вимірювального сигналу та сигналу на виході каналу. Вихідний сигнал БВВС у вигляді відліків функції подається на обчислювач комплексного коефіцієнта передачі ОККП де проводиться обчислення K(jщ). При цьому передбачається, що значення однозначно визначувані автокореляційною функцією використовуємого шумоподібного вимірювального сигналу заздалегідь вводяться у внутрішню пам'ять ОККП. Сигнал з виходу ОККП подається на вхід блока обчислення частотних характеристик ОЧХ де перераховується у відліки АЧХ K(щ) і ФЧХ ц(щ), які подаються на вхід цифрового фільтру ЦРФ. Відфільтровані дані K'(щ) і ц'(щ) з виходу ЦРФ поступають в блок порівняння БП, де робиться порівняння результатів виміру з еталонними характеристиками.

Розглянуті також структурні схеми пристроїв контролю на підставі SP/W рішення основного рівняння вимірювань та з використанням гармонічних вимірювальних сигналів.

У четвертому розділі описується методика та результати цифрового імітаційного моделювання процесу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку. Моделювались три модифікації методу поєднаних кореляційних вимірювань: гармонічний метод, з використанням гармонічних вимірювальних сигналів; метод ВС, який реалізує F/SP рішення основного рівняння поєднаних кореляційних вимірювань; метод ВКФ, який реалізує SP/W рішення основного рівняння поєднаних кореляційних вимірювань. Моделювання проводилось в рамках статистичної методології Монте-Карло. Згідно із загальними принципами цього методу, моделюється вхідна випадкова дія на модельовану систему, робляться обчислення по рівняннях динаміки цієї системи, а також по рівняннях, що описують алгоритм обробки інформації, що знімається з виходу системи і, нарешті, робиться інтерпретація результатів. Відповідно до цього, з урахуванням специфіки методу суміщених кореляційних вимірювань була розроблена цифрова імітаційна модель процесу суміщених кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку. Розроблені моделі вимірювального сигналу, контрольованого каналу та пристроїв обробки. Модель реалізована у вигляді пакету програм. Приведені та описані блок-схеми програм. Метою цифрового імітаційного моделювання процесу суміщених кореляційних вимірів було вивчення якісних і кількісних характеристик досліджуваних методів вимірів.

Основними завданнями проведеного моделювання було: вивчення залежності точності визначення АЧХ і ФЧХ каналу зв'язку від відношення сигнал/завада на вході, де під завадою розуміється робочий або інформаційний сигнал системи зв'язку, вивчення залежності точності визначення АЧХ і ФЧХ контрольованого каналу від часу активного підключення до виходу останнього або, що те ж саме, часу зняття даних, відновлення, на основі регресійного аналізу даних залежностей погрішностей визначення АЧХ і ФЧХ від досліджуваних параметрів у вигляді формул, придатних для чисельних розрахунків. В якості міри точності використовувалося середньоквадратичне відхилення сукупності обчислених значень АЧХ і ФЧХ від еталонних, отриманих за відсутності завади в каналі. Гармонічний метод моделювався в трьох модифікаціях: фільтровий, кореляційний і автокореляційний методи. Результати моделювання гармонічного методу приведені на рис. 2 та рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рис. 2. Залежність СКП визначення АЧХ гармонічним методом від відношення сигнал/завада

На рис. 2 представлені графіки залежності СКП визначення АЧХ від відношення сигнал/завада при різних об'ємах вибірки N.

Графіки дають можливість кількісно оцінити переваги кореляційної обробки вимірювального сигналу в цій структурі, тоді як, з якісної точки зору факт такої переваги може бути передбачений виходячи з теоретичних положень. Аналіз отриманих залежностей дозволяє говорити про наявність можливості істотного підвищення завадостійкої даних методів шляхом збільшення об'єму вибірки N. Так, для варіантів практичної реалізації, доцільно приймати N >2000. Це наочно демонструється графіком залежності , який приведено на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рис. 3. Залежність СКП визначення АЧХ гармонічним методом від об'єму вибірки

На рис. 3 показано криві, що відповідають відношенню сигнал/завада на вході каналу h = - 40 дБ. Усі представлені графіки отримані для кількості частот виміру k = 10. З метою спрощення оцінних розрахунків значення середньоквадратичного відхилення, приведені на рис. 2 та рис. 3 залежності були відновлені у вигляді відповідних розрахункових співвідношень. Результати лінійної інтерпретації залежностей наступні

де - відповідає фільтровому різновиду гармонічного методу, - автокореляційному, - кореляційному.

Результати моделювання при використанні шумоподібного вимірювального сигналу приведені на рис. 4…7.

На рис. 4 представлені графіки залежності СКП визначення АЧХ від відношення сигнал/завада. На рис. 4 показано два сімейства кривих: перше (безперервні криві) характерезує метод ВКФ, друге (пунктир) - метод ВС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рис. 4. Залежність СКП визначення АЧХ ВС та ВКФ методами від відношення сигнал/завада

Аналіз графіків дозволяє виявити наступне:

- повністю поєднані методи ВКФ і ВС вимірів дозволяють досліджувати АЧХ контрольованого каналу з незначною погрішністю, при малих відносних потужностях шумоподібного вимірювального сигналу на вході об'єкту h < - 30 дБ;

- метод ВКФ має істотну перевагу, по відношенню до методу ВС, в значенні СКП за інших рівних умов. Так, при h = - 40 дБ і М = 50, середньоквадратична помилка визначення АЧХ по методу ВКФ приблизно в 3.6 рази менше відповідної помилки для методу ВС.

На рис. 5 приведені графіки залежності СКП від кількості М аналізованих періодів шумоподібного вимірювального сигналу. З графіків видно, що збільшення значення М є ефективним засобом зниження погрішності вимірів при несприятливих співвідношеннях сигнал/завада і фіксованій базі вимірювального сигналу. З іншого боку, є присутнім насичення, коли подальше збільшення М вже не призводить до істотного зменшення середньоквадратичної помилки. Так для h = - 10 дБ, насичення настає вже при М = 20, а для h = - 40 дБ при М = 10000.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рис. 5. Залежність СКП визначення АЧХ ВС та ВКФ методами від кількості аналізованих періодів шумоподібного вимірювального сигналу

З метою спрощення оцінних розрахунків значення середньоквадратичного відхилення, приведені на рисунках залежності були відновлені у вигляді відповідних розрахункових співвідношень. Так результати лінійної інтерпретації залежностей для методу ВКФ наступні:

На рис.6 та рис.7 представлені графіки залежності СКП визначення ФЧХ від відношення сигнал/завада при різній кількості аналізованих періодів шумоподібного вимірювального сигналу відповідно для методів ВКФ та ВС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рис. 6. Залежність СКП визначення ФЧХ ВКФ методом від відношення сигнал/завада

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рис. 7. Залежність СКП визначення ФЧХ ВС методом від відношення сигнал/завада

Порівняльний аналіз графіків дозволяє зробити висновок, що метод ВС ефективний для визначення ФЧХ тільки при позитивних значеннях відношення сигнал/завада. В той же час, метод ВКФ забезпечує задовільну точність і для h < -25дБ. Таким чином, точність визначення ФЧХ методом ВС є недостатньою з практичної точки зору, а для методу ВКФ є досить хорошою, але поступається точністю визначення АЧХ.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Основними результатами дисертаційної роботи є розробка і дослідження методів контролю характеристик каналів зв'язку, які дозволяють здійснювати контроль в процесі передачі інформації.

Для отримання цих результатів в дисертаційній роботі були вирішені задачі:

- аналіз відомих рішень в галузі контролю характеристик каналів зв'язку;

- розробка теоретичних положень методу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку;

- структурний синтез пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку;

- створення математичної моделі процесу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку;

- дослідження кількісних та якісних показників різних модифікацій методу поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку шляхом проведення імітаційного моделювання.

В результаті вирішення цих задач в дисертаційній роботі:

- проведено аналітичний огляд відомих рішень в галузі контролю характеристик каналів зв'язку, на підставі якого визначені напрямки подальших досліджень;

- отримав подальший розвиток метод поєднаних кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку. Запропоновано нову модифікацію методу на підставі запропонованого кепстрального регуляризованого рішення основного рівняння вимірювань та рекомендації по вибору способу його рішення;

- отримані співвідношення між частотними, часовими та енергетичними параметрами сигналів при суміщених кореляційних вимірюваннях. На підставі отриманих виразів сформульовано критерій здійсненності процесу суміщених кореляційних вимірювань у реальному масштабі часу. Отримані вирази дозволяють в теоретичному плані знаходити узгоджене з початковими даними регуляризоване рішення основного рівняння вимірювань, а в практичному плані, виконати синтез пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку;

- на підставі аналізу розроблених теоретичних положень, дано алгоритмічне представлення метода поєднаних кореляційних вимірювань, яке є підставою для структурного синтезу пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку;

- отримані вирази для визначення основних параметрів шумоподібного вимірювального сигналу, таких як амплітуда, тривалість імпульсу, база сигналу, час підключення до каналу;

- розглянуто питання впливу лінійних спотворень характеристик каналу на функцію взаємної кореляції вимірювального сигналу;

- проведено структурний синтез пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку. Отримані та проаналізовані структури пристроїв контролю, які реалізують різні модифікації методу суміщених кореляційних вимірювань;

- розроблено цифрову імітаційну модель процесу суміщених кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку. Модель реалізована у вигляді пакету прикладних програм. В результаті проведення моделювання на розробленій моделі досліджена точність вимірювання характеристик каналів з частотно обмеженим спектром від співвідношення сигнал/завада та тривалості оброблювальної реалізації для різних модифікацій методу поєднаних кореляційних вимірювань. Отримано відповідні графіки та відновлені за допомогою регресійного аналізу формульні вирази придатні для чисельних розрахунків;

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони дозволяють розробити ефективні пристрої контролю характеристик каналів зв'язку, виконувати контроль характеристик каналів в процесі передачі по них інформації. Це дозволяє виключити втрати прибутків, через вилучення каналів з роботи на період контролю показників якості, дає можливість вести безперервний контроль якості роботи каналів, скорочує витрати на проведення профілактики каналів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гребенніков В. О. Якість функціонування ІР-мереж: завдання щодо їх нормування та контролю / В. О. Гребенніков, О. Ю. Коновалов // Зв'язок. - 2008. - №1. - С. 22-25.

2. Коновалов О. Ю. Методи вимірювання і контролю характеристик каналів зв'язку / О. Ю. Коновалов // Збірник наукових праць військового інституту КНУ ім. Т. Шевченка. - 2009. - Вип. 24. - С. 113-119.

3. Коновалов А. Ю. Структурный синтез устройства контроля характеристик каналов связи / А. Ю. Коновалов // Наукові записки УНДІЗ. - 2010. - № 2(14). - С. 50-54.

4. Флейта Ю. В. Методи вирішення інтегрального рівняння в задачі вимірювання характеристик каналів зв'язку / Ю. В. Флейта, О. Ю. Коновалов // Збірник наукових праць ВІТІ НТУУ «КПІ». - 2010. - №1. - С. 125-129.

5. Флейта Ю. В. Соотношения параметров сигналов при измерении характеристик каналов связи / Ю. В. Флейта, А. Ю. Коновалов // Наукові записки УНДІЗ. - 2010. - № 1(13). - С. 37-40.

6. Флейта Ю. В. Исследование метода совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи / Ю. В. Флейта, А. Ю. Коновалов // Наукові записки УНДІЗ. - 2010. - № 2(14). - С. 113-120.

7. Флейта Ю. В. Моделирование метода совмещенных корреляционных измерений / Ю. В. Флейта, А. Ю. Коновалов // Вісник УНДІЗ. - 2010. - № 1. - С. 4-9.

8. Коновалов О. Ю. Стандартизація та якість функціонування ІР-мереж / О. Ю. Коновалов // Матер. наук.-практ. семінару «Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології», м. Київ, 12-14 грудня 2007 р. - 2007. - С. 61-64.

9. Коновалов, О. Ю. Питання забезпечення якості передачі IP-трафіка у мережах NGN / О. Ю. Коновалов // Матер. наук.-практ. семінару «Питання розвитку телекомунікаційних мереж», м. Київ, грудень 2008 р. - 2008. - С. 57-58.

10. Коновалов О. Ю. Забезпечення якості передачі IP-трафіка у мережах наступного покоління / О. Ю. Коновалов // Матер. наук.-техн. конф. "Проблеми телекомунікацій", м. Київ, НТУУ «КПІ», 21-24 квітня 2009 р. - 2009. - С. 98.

11. Коновалов, А. Ю. Анализ методов контроля каналов связи /
А. Ю. Коновалов // Вісник УНДІЗ. - 2009. - №1, - С. 38-42.

12. Коновалов, А. Ю. Методы решения интегрального уравнения в задаче измерения характеристик каналов связи / А. Ю. Коновалов, Ю. В. Флейта // Матер. наук.-техн. конф. "Проблеми телекомунікацій", м. Київ, НТУУ «КПІ», 20-23 квітня 2010 р. - 2010. - С. 129.

13. Коновалов А. Ю. Алгоритмы и программы вторичной обработки результатов моделирования / А. Ю. Коновалов // Матер. наук.- практ. семінару «Питання розвитку телекомунікаційних мереж», м. Київ, серпень-вересень 2010 р. - С. 13-16.

14. Коновалов А. Ю. Алгоритмическое представление метода совмещенных корреляционных измерений / А. Ю. Коновалов : матер. 23 - наук.-техн. конф. «Перспективне комп'ютерне управління і телекомунікаційні системи на залізничному транспорті», Алушта, 22-25 вересня 2010 р. // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2010. - №5. - С. 37-38.

АНОТАЦІЯ

Коновалов О.Ю. Розробка і дослідження методів контролю характеристик каналів зв'язку. - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 -Телекомунікаційні системи та мережі. - Державне підприємство «Український науково-дослідний інститут зв'язку», Київ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена розробці та дослідженню методів контролю характеристик каналів зв'язку, які дозволяють здійснювати контроль характеристик каналів зв'язку в процесі передачі інформації. В результаті досліджень отримав подальший розвиток метод суміщених кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку, запропоновано нову модифікацію методу на основі кепстрального регуляризованого рішення основного рівняння вимірювань та рекомендації по вибору способу його рішення, встановлено взаємозв'язок між часовими, частотними та енергетичними параметрами сигналів при поєднаних кореляційних вимірюваннях на підставі якого отримано критерій здійсненності процесу поєднаних кореляційних вимірювань у реальному масштабі часу, дані рекомендації по вибору параметрів шумоподібних вимірювальних сигналів, розглянуто вплив лінійних спотворень характеристик каналу на функцію взаємної кореляції вимірювального сигналу, проведено структурний синтез пристроїв контролю характеристик каналів зв'язку, які реалізують різні модифікації методу суміщених кореляційних вимірювань, розроблено математичну модель процесу суміщених кореляційних вимірювань характеристик каналів зв'язку у вигляді пакету програм, в процесі моделювання досліджена точність вимірювання характеристик каналів зв'язку для різних модифікацій методу суміщених кореляційних вимірювань, отримані залежності відновлені у виді формульних виразів, придатних для чисельних розрахунків.

Ключові слова: показники якості, канал зв'язку, характеристики каналів зв'язку, методи контролю, пристрої контролю.

АННОТАЦИЯ

Коновалов А.Ю. Разработка и исследование методов контроля характеристик каналов связи. - Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - Телекоммуникационные системы и сети. - Государственное предприятие «Украинский научно-исследовательский институт связи», г. Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию методов контроля характеристик каналов связи, позволяющих проводить контроль характеристик каналов связи в процессе передачи информации.

Объектом исследований являются параметры и характеристики каналов связи. Предметом исследований являются методы контроля характеристик каналов связи.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие научные задачи:

- анализ известных решений в области контроля характеристик каналов связи;

- разработка теоретических положений метода совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи;

- структурный синтез устройств контроля характеристик каналов связи;

- создание математической модели процесса совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи;

- исследование качественных и количественных показателей различных модификаций метода совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи путем проведения имитационного моделирования.

В результате проведенных исследований в работе выполнен аналитический обзор методов контроля характеристик каналов связи. Дана классификация методов определения характеристик каналов связи. Выявлены достоинства и недостатки основных методов. На основе проведенного анализа определены направления дальнейших исследований.

Рассмотрены теоретические положения метода совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи. Рассмотрение построено на анализе решений основного уравнения корреляционных измерений. Задача решения такого уравнения является некорректной из-за наличия неизбежной на практике погрешности определения его правой части. В этой связи рассмотрены различные варианты регуляризованного решения. На основе предложенного кепстрального регуляризованного решения основного уравнения измерений предложена новая модификация метода совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи. Приведены рекомендации позволяющие проводить целесообразный выбор типа решения в зависимости от условий конкретной ситуации.

Получены выражения определяющие взаимосвязь между частотными, временными и энергетическими параметрами сигналов при совмещенных корреляционных измерениях характеристик каналов связи. На основе полученных выражений сформулирован критерий осуществимости совмещенных корреляционных измерений в реальном масштабе времени. Это позволяет, в теоретическом плане, находить согласованное с исходными данными регуляризованное решение основного уравнения измерений, описывающего метод совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи, а в прикладном, осуществить разработку устройства контроля.

На основе разработанных теоретических положений приведено алгоритмическое описание метода совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи, которое является основой для структурного синтеза устройств контроля характеристик каналов связи.

Даны рекомендации по выбору параметров шумоподобных измерительных сигналов типа М-последовательностей. Получены выражения для определения амплитуды, длительности импульсов, значения базы сигнала, времени подключения к каналу.

Рассмотрено влияние линейных искажений характеристик канала на функцию взаимной корреляции измерительного сигнала.

Рассмотрены вопросы структурного синтеза устройств контроля характеристик каналов связи. Описаны синтезированные структурные схемы устройств контроля характеристик каналов связи, реализующие различные модификации метода совмещенных корреляционных измерений.

Разработана математическая модель процесса совмещенных корреляционных измерений характеристик каналов связи в виде пакета программ, на основе которой проведено исследование погрешности измерения характеристик каналов связи для различных модификаций метода совмещенных корреляционных измерений. Основные зависимости, полученные в результате моделирования восстановлены в виде формул, пригодных для численных расчетов.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что они позволяют разработать эффективные устройства контроля характеристик каналов связи, проводить контроль характеристик каналов, в процессе передачи по ним информации. Это позволяет исключить потери доходов, из-за изъятия каналов из работы на период контроля показателей качества, дает возможность вести непрерывный контроль качества работы каналов, сокращает затраты на проведение профилактики каналов.

Ключевые слова: показатели качества, канал связи, характеристики каналов связи, методы контроля, устройства контроля.

SUMMARY

Konovalov О. Yu. Development and research of methods for controlling communication channels characteristics. - Manuscript.

Thesis to obtain the degree of Candidate of engineering sciences in a 05.12.02 - Telecommunication system and network. State enterprise the "Ukrainian research institute of communication", Kyiv, 2010.

Thesis is devoted to the development and research of methods for controlling of characteristics of communication channels which allow to control characteristics during the information transfer process.

As a result of a study the method of combining cross-correlation measurement of communication channels characteristics obtained further development; new modification of the method is proposed on the basis of cepstral regularized decision of the basic equation for measurement and recommendations are given as to the choice of the decision method; correlation is established between time, frequency and power parameters of signals during the combined cross-correlation measurement which enable to obtain the criterion of feasibility of the process of combined cross-correlation real-time measurements; recommendations are given as to the choice of parameters of noise-like signals for measurement; influence of linear distortions of channel characteristics on the cross-correlation function of the signal to measure is considered; the structural synthesis of characteristic control devices that realize different modifications of the combined cross-correlation method is made; mathematical model of the combined cross-correlation method is developed as software package; in the process of modeling an accuracy of communication channel characteristics measurement for different modifications of the combined cross-correlation measurements is investigated; dependencies recovered as formula expressions suitable for numerical computations are obtained.

Key words: indices of quality, communication channel, communication channel characteristics, control methods, control devices

Підписано до друку 23.09.2010 р. Формат 64х90¹/8.

Папір офс. Замовл. № 647. Наклад 100 прим.

Друк ТОВ “АНВА Прінт”

Вул. Солом'янська, 1, оф.204, м. Київ, 03110.

Тел. +380 44 2277728

Размещено на Allbest.ru

...