Методи підвищення якості передачі інформації у відкритих оптичних системах зв'язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

УДК 621.396

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи підвищення якості передачі інформації у відкритих оптичних системах зв'язку

Колтиков Олександр

Вікторович

Харків-2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Телекомунікаційні системи" Харківського національного університету радіоелектроніки.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Марчук Володимир Степанович, професор кафедри "Телекомунікаційні системи" Харківського національного університету радіоелектроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Доля Григорій Миколайович, професор кафедри теоретичної й прикладної системотехніки Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна доктор технічних наук, професор Стрєлков Олександр Іванович, завідувач кафедри "Фізики" Харківського університету повітряних сил

Захист відбудеться 22.04.2009 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м.Харків, пр. Леніна, 14, ауд.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, проспект Леніна, 14.

Автореферат розісланий 20.03.2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних задач при побудові сучасних цифрових мереж зв'язку є створення високошвидкісних каналів. Вирішення цієї задачі для безпроводових систем зв'язку натрапляє на ряд труднощів, тому що в радіодіапазоні завжди існує дефіцит надаваної смуги частот.

Одним з перспективних напрямків по створенню високошвидкісних каналів у безпроводових телекомунікаційних системах є використання відкритих оптичних каналів. Сучасні відкриті оптичні системи зв'язку (ВОСЗ), які називають FSO, мають досить високі технічні характеристики: швидкість передачі даних може досягати декількох Гбіт/с; ймовірність помилки до 10-10; час розгортання систем зв'язку незначний і може становити всього кілька годин. Важливою перевагою є також те, що на відміну від систем радіодіапазону, відсутня необхідність ліцензування частотного діапазону.

Разом з тим у відкритих оптичних системах зв'язку має місце цілий ряд специфічних характеристик. Так в цих лініях проходження оптичного сигналу залежить в значній мірі від стану атмосфери. Крім цього, в ВОСЗ діють такі завади, які принципово відрізняються від тих, які діють в класичних радіолініях. До таких слід віднести джерела штучного зовнішнього освітлення, природні джерела, а також відбиття від різних предметів. Інший клас завад викликаний високою просторовою вибірковістю лазерних пристроїв, що при вітровому навантаженні призводить до завмирань і навіть до втрати сигналу. Для мінімізації впливів цих завад методи, які використовуються в традиційному радіодіапазоні не підходять. Так традиційні адаптивні методи вибілювання завад або їх режекції тут не працюють. Більш конструктивними є методи, які засновані на виборі раціональних базисів розкладання сигналів. Найбільш придатним в даному випадку може бути власний базис Карунена-Лоєва. Однак процедура знаходження цього базису складна і не завжди реалізуєма на практиці з достатньою точністю. Фур'є та інші традиційні базиси мають малу інформативність базисних компонент. За останні роки велику популярність знаходить вейвлет-перетворення, яке характерне тим, що при вмілому виборі вейвлет-функцій, елементи розкладу мають інформативність, яка наближається до власного базису. Проте використання вейвлет-функцій для покращення завадозахисту в ВОСЗ вивчено недостатньо. Крім указаних методів досить дієвими є методи просторово-часової обробки в антенних решітках, і ці методи в ВОСЗ вивчені також недостатньо. Таким чином, тема дисертаційної роботи, що присвячена пошуку і розробці нових більш досконалих методів завадозахисту в ВОСЗ за допомогою використання вейвлет-перетворень і просторово-часової обробки в ВОСЗ є актуальною і направленою на підвищення надійності цих ліній.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційні дослідження пов'язані з положеннями „Концепції розвитку зв'язку України до 2010 року”, “Концепції конвергенції телефонних мереж і мереж з пакетною комутацією в Україні”. Дисертаційна робота є продовженням і подальшим розвитком наступних науково-дослідних робіт (НДР): НДР №129-1 “Разработка технологии построения активных телекоммуникационных сетей, методологии их анализа и синтеза для обеспечения распределенных информационно-вычислительных систем” (ДР №0101U005126), яка виконувалася в Харківському національному університеті радіоелектроніки (ХНУРЕ); НДР “Концепция обработки, анализа и передачи данных в ИАС НАКУ” (“Мониторинг-С”), яка виконувалася в Харківському державному регіональному науково-технічному центрі з питань технічного захисту інформації. В цих НДР здобувач був виконавцем.

Мета і задачі досліджень. Метою дослідження є підвищення якості передачі інформації у відкритих оптичних системах зв'язку. Для досягнення цієї мети у роботі розв'язані такі задачі: створена та досліджена модель відкритої оптичної системи зв'язку, розроблено методи підвищення інформаційної надійності відкритих оптичних систем зв'язку в специфічних для цих ліній умовах функціонування.

Об'єктом досліджень є процеси функціонування відкритих оптичних систем зв'язку.

Предметом досліджень є моделі та методи передавання інформації у відкритих оптичних системах зв'язку.

Методи досліджень базуються на основних положеннях радіофізики, теорії електрозв'язку, системного аналізу, математичної статистики, теорії ймовірностей, теорії вейвлет-перетворень, теорії оптимізації, теорії оцінювання і управління, математичного моделювання, імітаційного та натурного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Одержав подальший розвиток метод вейвлет-перетворень для обробки сигналів у відкритих оптичних системах зв'язку, у тому числі, при впливі шумових та зосереджених завад різних типів і при різних співвідношеннях сигнал/шум.

2. Запропоновано новий метод побудови лазерної антенної решітки, яка в порівнянні з відомими має більш вузьку діаграму спрямованості лазерної системи при достатньо низькому рівні бічного випромінювання, що забезпечує підвищення енергетики лінії.

3. Уперше запропоноване використання просторово-часового доступу у відкритих оптичних системах зв'язку, що дозволяє забезпечувати багатостанційний доступ з багатьма кореспондентами.

4. Запропоновано новий метод аналізу якості вейвлет-обробки оптичних сигналів, заснований на співставленні графічних фрагментів вейвлет-спектрограм.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Застосування розроблених методів цифрової обробки з використанням вейвлет-перетворення дозволяє підвищити якість прийому сигналів на фоні різного роду завад і зменшити ймовірність помилки з 10-6 до 10-8.

2. Застосування лазерних решіток дозволяє поліпшити енергетику лінії зв'язку залежно від кількості випромінювачів на величину від 5 до 10 дБ.

3. Використання методів просторово-часового доступу дає можливість організувати структури мереж зв'язку у вигляді зірки й забезпечувати ієрархічну побудову мережі.

Запропоновані розробки рекомендовані для використання в задачах міністерства з надзвичайних ситуацій, міністерства внутрішніх справ тощо. Ряд наукових результатів дисертації впроваджено в НДР ХНУРЕ та ХГРНТЦ ТЗІ, та в навчальному процесі на кафедрі телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, що підтверджується актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано самостійно і опубліковано в спеціалізованих фахових виданнях. Зокрема, у роботі [1] досліджена можливість застосування вейвлет-обробки сигналів для зниження рівня шумів у волоконно-оптичних системах зв'язку, запропоновано алгоритм порогової обробки, вейвлет-функція, тип порога й порядок розкладання, у роботі [2] досліджено застосування вейвлет-фільтрації для зниження бітових помилок у відкритих оптичних системах зв'язку, у роботі [3] розроблена експериментальна лінія зв'язку, проведені натурні дослідження блоку вейвлет-фільтрації, у роботі [4] запропоновано використання оптичних джгутів для формування антенної апертури і розроблені розрахункові співвідношення для діаграм спрямованості лазерних решіток.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на 4-х науково-технічних конференціях міжнародного рівня: 9-ому Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка й молодь в 21-ому столітті" (Харків, 2005), 11-ому Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка й молодь в 21-ому столітті" (Харків, 2007), 12-ому Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка й молодь в 21-ому столітті" (Харків, 2008), 1-й міжнародній науковій конференції «Глобальні інформаційні системи. Проблеми й тенденції розвитку» (Туапсе, 2006).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 4 роботи в спеціалізованих виданнях ВАК України [1-4]. Усі роботи за темою дисертації. Крім того, ці матеріали були опубліковані в тезах доповідей на конференціях [ 5-8].

Структура й обсяг роботи. Робота складається з вступу, 5-ти розділів, висновків з роботи, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації 183 сторінок: 155 стор. основного тексту, 135 малюнок, 92 бібліографічних джерел.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, дано інші необхідні характеристики роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан відкритих оптичних систем зв'язку (ВОСЗ), розглянуті структура й типи мереж, фізичні процеси, технічні характеристики й основні області впровадження ВОСЗ.

Показано, що ВОСЗ мають потенційно високу пропускну здатність, завадозахищеність й, як наслідок, підвищений ступінь захисту інформації, безпеку й живучість. Важливою перевагою ВОСЗ перед радіоелектронними засобами для операторів є відсутність необхідності одержання дозволу на використання смуг радіочастот. Разом з тим оптичні компоненти ВОСЗ мають підвищену чутливість до впливу метеообставин і іонізуючих випромінювань. Іншим недоліком існуючих ВОСЗ є потреба в підвищенні ефективності методів цифрової обробки сигналів для підвищення завадостійкості.

Розглянуто математичні моделі відкритих оптичних систем зв'язку, процеси взаємодії випромінювання із середовищем, що приводять до зміни його інтенсивності. Приведено аналіз механізмів взаємодії випромінювання із середовищем: ослаблення, розсіювання, поглинання, відбиття, переломлення (рефракції).

Основне рівняння передачі інформації оптичного діапазону може бути записане у вигляді

Pпрд/Pпрм=LбF,

де Pпрд, Pпрм - потужності на виході передавача й на вході приймача; L - загасання в оптичних елементах передавального і прийомного пристроїв; б - загасання у вільному просторі; F - загасання, обумовлене впливом атмосфери.

У розділі також наведені результати експериментальних досліджень фізичних процесів у середовищі поширення оптичних сигналів. Зокрема, наведені дані по ослабленню сигналу й величині BER при різних погодних умовах. Розглянуто експериментальні дослідження поглинання сигналу залежно від довжини хвилі.

На підставі проведеного аналізу сформульована задача дисертаційних досліджень: створення моделі відкритої оптичної системи зв'язку і її дослідження з метою розробки методів підвищення якості передачі інформації у відкритих оптичних системах зв'язку, що працюють як у природних умовах, так і при впливі сторонніх заважаючих джерел.

В другому розділі наведено порівняльний аналіз методів цифрової обробки сигналів на основі Фур'є й вейвлет-перетворень. Досліджена можливість застосування вейвлет-обробки сигналів для зниження рівня шумів та зменшення рівня ймовірності помилок в оптичних системах зв'язку.

В сучасних відкритих оптичних системах зв'язку передаються, як правило, цифрові сигнали, тому традиційний апарат представлення довільних функцій і сигналів у вигляді рядів Фур'є виявляється малоефективним для функцій з локальними особливостями, зокрема, для імпульсних і цифрових сигналів.

Розглянуті основні недоліки перетворень для виявлення цифрових сигналів у відкритих оптичних системах на фоні шумів. Недолік віконного перетворення полягає в тому, що при його обчисленні використовується фіксоване вікно, що не може бути адаптоване до локальних властивостей сигналу. Для усунення цих та інших недоліків в обробці сигналів ВОСЗ запропоновано використання вейвлет-перетворення. Безперервне вейвлет-перетворення (CTWT) являє собою скалярний добуток f (x) і базисних функцій

CTWTf

Базисні функції a,b L2 (R) є дійсними й розвиваються навколо осі абсцис. Вони визначені на деякому інтервалі. Вейвлетами можуть розглядатися як масштабовані так і здвинуті в часі функції-прототипу (x). Параметр b показує розташування в часі, а а - параметр масштабу. Більші значення а відповідають низьким частотам, малі - високим. Операція множення на вікно міститься в самій базисній функції, що дозволяє звужувати й розширювати це вікно. Таким чином, в роботі продемонстрована можливість адаптивного до сигналу вибору параметрів вікна та розроблені алгоритми обробки довільних функцій і сигналів з локальними особливостями за допомогою вейвлет-перетворень. Крім цього, при використанні вейвлет-перетворення дія шумів інша, оскільки вони проектуються на вейвлет-базис, а не діють в смузі частот.

Показана особливість застосовування швидкого дискретного вейвлет-перетворення. Досліджено вплив порядку розкладання вейвлет-перетворення й алгоритмів вибору порогу обмеження вейвлет-коефіцієнтів на зниження рівня шумів в оптичних системах зв'язку.

У моделі: S - вихідний сигнал, H - фільтр декомпозиції високих частот, L - фільтр декомпозиції низьких частот, операція децимації (зменшення числа частотних складових удвічі), операція зворотна децимації (збільшення вдвічі числа частотних складових шляхом додавання нульових компонентів упереміж з наявними компонентами), H' - фільтр реконструкції високих частот, L' - фільтр реконструкції низьких частот, S' - відновлений сигнал.

Таким чином, процедура видалення шуму сигналу складається із трьох кроків.

1. Декомпозиція. Вибирається вейвлет і рівень розкладання N. Обчислюється вейвлет-розкладання вихідного сигналу до рівня N.

2. Порогова обробка, деталізуючих коефіцієнтів. Для кожного рівня від 1 до N вибираються пороги, застосовується м'яка або жорстка порогова обробка деталізуючих коефіцієнтів.

3. Реконструкція. Виконується вейвлет-реконструкція, заснована на первинних апроксимуючих коефіцієнтах рівня N і модифікованих деталізуючих коефіцієнтах рівнів від 1 до N.

Згідно даного алгоритму вейвлет-перетворення розроблена програма моделювання в середовищі Matlab. Дослідження були виконані при наступних умовах. На первинний цифровий сигнал накладався гаусовський білий шум. Дослідження вейвлет-фільтрації виконано при відношенні сигнал/шум на вході 24 дБ. Відношення сигнал/шум для цифрових ВОСЗ перебуває в діапазоні від 20 до 60 дБ. Зашумлений сигнал зображений на рис. 2. Далі проводилась вейвлет-фільтрація на основі вейвлета Хаари, при цьому змінювався тип порогу, порядок розкладання й алгоритм вибору порогу. Сигнал після вейвлет-обробки наведений на рис. 3, а після Фур'є-обробки - на рис. 4. При Фур'є-обробці використані три перші гармоніки сигналу.

Результати моделювання відношення сигнал/шум від порядку вейвлет-розкладання, при різних алгоритмах вибору порогу наведені на рис. 8, де 1 - мінімаксний алгоритм, 2 - алгоритм Штейна незміщеної оцінки ризику, 3 - алгоритм інверсного порога, 4 - евристичний алгоритм Штейна.

Для значення порядку від 2-го до 6-го фільтрація найбільш ефективна. Збільшення порядку фільтрації не приводить до помітного поліпшення відношення сигнал/шум. Застосування жорсткої порогової обробки деталізуючих коефіцієнтів для всіх алгоритмів дає більший виграш у відношенні сигнал/шум у порівнянні з м'якою пороговою обробкою. Це має місце для усіх порядків крім четвертого. Найбільший виграш дає евристичний алгоритм Штейна. Для випадку м'якої порогової обробки цей алгоритм найбільш ефективний.

Вибір типу порогової обробки здійснюється в такий спосіб.

Жорстка порогова обробка сигналу:

де t - значення порогу.

М'яка порогова обробка:

Жорстка порогова обробка може бути описана як звичайний процес установки в нуль елементів, абсолютні значення яких нижче порога.

М'яка порогова обробка є розширенням жорсткої порогової обробки: на початку встановлюються в нуль елементи, чиї абсолютні значення нижче порога, а потім стискуються ненульові коефіцієнти в напрямку до нуля. Жорстка процедура створює зосереджені неоднорідності на інтервалі х=±t, тоді як при м'якій процедурі таких неоднорідностей немає (рис.5).

Пошук оптимального значення порога означає пошук такого порога, що при найменшому зсуві відновленого сигналу забезпечує найбільше з можливих значення відношення сигнал/шум. Критерій Штейна незміщеної оцінки ризику дозволяє визначити оптимальне значення порога , що відповідає рівню j розкладання сигналу, як аргумент деякої функції ризику . Оптимальне значення порога , що забезпечує відповідно до критерію Штейна найкраще шумозаглушення сигналу, відповідає випадку, у якому функція має глобальний экстремум:

,

.

У третьому розділі досліджена можливість прийому сигналів у відкритих цифрових оптичних системах зв'язку при впливі зосереджених завад з використанням вейвлет-обробки прийнятих сигналів.

Крім ізотропних природних шумів, на оптичні системи зв'язку можуть впливати штучні зосереджені завади й шуми, у тому числі, навмисні завади. Аналіз показав, що типовими видами оптичних завад є завади від прожекторів з лампами накалювання, лампами денного світла, а також завади від сторонніх цифрових ВОСЗ. Це завади типу: синусоїда, пилка, послідовності прямокутних імпульсів.

За допомогою вибору вейвлет-функції можна мінімізувати дію шумових завад. Рішення задачі шумозаглушення полягає в правильному виборі типу функції порогової обробки і критерію розрахунку порога, виборі підходящого вейвлет-базису, встановленні необхідної глибини розкладання.

Дослідження вейвлет-фільтрації були проведені для різних типів порога, порядку розкладання й алгоритму вибору порога.

Розроблено метод прийому й вейвлет обробки сигналів в ВОСЗ при впливі різних видів завад, а також вирішене завдання оптимального виявлення й прийому сигналів у лазерних системах зв'язку з енергією випромінювання, що змінюється.

б) білий шум, в) пилкоподібний сигнал, г) синусоїда

Аналіз вейвлет-спектрограм цифрових сигналів (рис. 9-11) показав, що вони мають ряд характерних областей. Перепади сигналу характеризуються появою світлих ділянок. Чим світліше ділянка, тим вище рівень сигналу. Темний фон на вейвлет-спектрограмах вказує на відсутність змін у сигналі. Шумові складові з'являються на місці темного фону, у вигляді поперемінних темних і світлих плям. Таке поводження вейвлет-спектрограм шумових складових дозволяє побудувати вейвлет-фільтри, що придушують ці складові. Для повернення до первинного сигналу досить виконати зворотнє вейвлет-

У четвертому розділі запропоновані шляхи збільшення відношення сигнал/шум у відкритих оптичних системах зв'язку за рахунок застосування лазерних решіток і дано рекомендації з їхньої побудови.

Збільшення потужності випромінювання, а отже, і завадостійкості систем передачі можна домогтися при використанні фазованих лазерних решіток, у яких здійснюється складання сигналів N лазерів.

Позитивною властивістю решіток лазерів є можливість підвищення потужності випромінювання решітки у напрямку приймального пристрою за рахунок відповідного розташування лазерів у решітці й вибору її розмірів. При фіксованих вимогах до завадостійкості застосування лазерних решіток дозволить збільшити дальність відкритої оптичної системи зв'язку.

Методи складання полів для збільшення інтенсивності поля в дальній зоні досить докладно розроблено для антенних решіток радіодіапазону, коли довжина когерентності виявляється досить великою, завдяки чому можна вести розрахунки для практичних випадків, вважаючи джерела випромінювання приблизно монохроматичними. Для систем оптичного діапазону такий підхід у багатьох випадках виявляється недостатнім і виникає необхідність оцінки обмежень, пов'язаних із частковою когерентністю джерел, а також тих відхилень від ідеального випадку складання монохроматичних полів, які виникають при створенні фазованих решіток оптичного діапазону. Визначено вплив ступеня когерентності лазерних джерел на діаграму спрямованості (ДС) решітки лазерів.

Рис. 12. ДС лазерної решітки N = 20 Рис. 13. ДС лазерної решітки N = 10

Розраховані ДС лазерних решіток з різною кількістю випромінюючих елементів і різною відстанню між ними. Дано рекомендації з вибору лазерних антенних решіток.

Однак формування за допомогою лазерних решіток головного вузького променя може супроводжуватися появою великого числа вузьких бічних пелюстків високої інтенсивності. Все це приводить до ускладнення вирішення задачі просторового доступу. Розроблено алгоритм і схема організації просторово-часового доступу (ПЧД) у відкритій оптичній системі зв'язку. Показано, що організація зв'язку із ПЧД може бути здійснена в три етапи. Першим етапом ПЧД є організація заявки на зв'язок абонентською станцією. Другим етапом ПЧД є визначення напрямку приходу сигналу абонента. Третім етапом ПЧД є надання зв'язку абонентові по вузькому променю, сформованому відповідно до заявки.

Запропоновані методи і їх технічні втілення для реалізації просторово-часового доступу. сигнал оптичний лазерний решітка

Розроблено адаптивний алгоритм стабілізації оптичного променя в ВОСЗ.

У п'ятому розділі для підтвердження даних отриманих імітаційним моделюванням передачі цифрових даних по атмосферному каналу і їхньої обробки з використанням вейвлет-перетворення було виконано експериментальне дослідження можливостей підвищення якості передачі інформації у відкритих оптичних системах зв'язку.

Для виконання поставленого завдання був розроблений апаратний блок вейвлет-фільтрації. У своєму складі блок містить аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер і цифро-аналоговий перетворювач. Фільтрація в блоці проводилась з використанням вейвлета Хаари по алгоритму швидкого перетворення. Рівень декомпозиції можна було змінювати від 1 до 4. У загальному випадку процедура фільтрації сигналу включає три кроки: декомпозиція, порогова зміна коефіцієнтів, реконструкція.

Експериментальна установка була побудована таким чином. На передавальному кінці на персональному комп'ютері (ПК) була встановлена програма формування випробного сигналу з лічильником сформованих імпульсів. Оптичний передавальний пристрій (ОПП) забезпечував модуляцію лазерного діода (ЛД). З виходу ЛД оптичний сигнал надходив в оптичну антену (А). Лазер мав потужність випромінювання Pв = 1мВт і робочу довжину хвилі лр = 650 нм.

Прийомна частина експериментальної установки містила оптичну антену, з якої сигнал надходив на фотодіод (ФД). Підсилення продетектованого сигналу здійснювалося в оптичному прийомному пристрої (ОПрП). Для узгодження з USB портом ПК між ОПрП й ПК був встановлений мікроконтролер (МК). Сигнал з ОПрП подавався або безпосередньо на МК, або через блок вейвлет-фільтрації (БВФ).

У результаті проведення вимірів по впливу навмисних завад було встановлено, що експериментальні дослідження роботи блоку вейвлет-фільтрації в ВОСЗ, практично не відрізняються від теоретичних (рис. 15). У даному прикладі на ВОСЗ впливала завада у вигляді меандру.

Таким чином в результаті математичного, імітаційного та натурного експериментів в роботі продемонстровані основні науково-технічні рішення щодо підвищення ефективності ВОСЗ.

ВИСНОВКИ

У роботі сформульоване та вирішене актуальне наукове завдання підвищення інформаційної надійності відкритих оптичних систем зв'язку шляхом використання методів вейвлет-перетворення для обробки сигналів на фоні завад, лазерної антенної решітки для поліпшення енергетики лінії, пошуку й супроводу кореспондента та просторово-часового доступу для забезпечення багатостанційного доступу. Значення результатів дисертаційної роботи для науки й практики полягає в тому, що вони визначають шляхи підвищення якості передачі інформації в ВОСЗ в специфічних для цих ліній умовах функціонування.

Висновки та рекомендації з наукового й практичного використання отриманих результатів такі:

1. Для ВОСЗ, які набувають все більшої популярності, в роботі запропоновано ряд заходів, що підвищують надійність та завадозахищеність цих ліній і систем зв'язку. Для специфічних умов прийому запропоновано застосовувати цифрову обробку сигналів за допомогою вейвлет-фільтрації. Для обробки цифрових сигналів в якості базиса вейвлет-перетворення варто рекомендувати базис Хаара, що забезпечує ефективне зниження дії шумів, підвищення якості прийому сигналів і зменшення ймовірністі помилки на 2…3 порядки порівняно з традиційно використовуваним методом Фур'є-фільтрації.

2. Показано, що ефективність обробки корисних сигналів на тлі шумових завад залежить від порядку вейвлет-декомпозиції. Найбільш інформативними є перші 5...6 порядків вейвлет-розкладання. Подальшій розклад додає до ефективності обробки все менше. Основна специфіка обробки полягає у виборі алгоритму визначення порога та типу порогової обробки. Найкращий показник по співвідношенню сигнал/шум досягається при використанні евристичного алгоритму Штейна по визначенню порога з м'якою пороговою обробкою, який порівняно з фіксованими алгоритмами та жорсткою пороговою обробкою виграє від 2 до 6 дБ.

3. Аналіз показує, що за допомогою вейвлет-фільтрації вдається значно поліпшити сигнально-завадову обстановку не тільки при наявності шумових завад, але і при пофарбованих, зосереджених завадах. При чому цього поліпшення можливо досягти як у випадку, коли завада менше рівня сигналу, так і при перевищенні рівня завади над сигналом. Вибір алгоритму обробки залежить від структури завади і співвідношення сигнал/завада. Для ВОСЗ основні джерела зовнішнього впливу - це лампи накалювання, що створюють завади у формі синусоїди, лампи денного світла с завадами пилкоподібного типу та інші подібні ВОСЗ з завадами у вигляді послідовностей прямокутних імпульсів.

4. У випадку перевищення завади над рівнем сигналу для завад у вигляді синусоїди, пилки або меандра доцільно застосувати вейвлет-фільтр із алгоритмом minimaxi і sqtwolog з м'яким типом порогової обробки, з використанням третього рівня розкладання сигналу.

5. У випадку, коли завада має рівень нижче корисного сигналу:

а) для завади у вигляді синусоїди від ламп накалювання запропоновано використовувати жорсткий тип порогової обробки для всіх алгоритмів вибору порога. При цьому ефективність вейвлет-фільтрації зростає з ростом частоти завади. На першому рівні вейвлет-розкладання всі відомі алгоритми мають однакову ефективність. З ростом порядку вейвлет-розкладання ефективність алгоритмів Штейна (heursure, rigrsure) над іншими монотонно збільшується. Максимум ефективності цього алгоритму проявляється при 6-7 рівні декомпозиції. Використання алгоритмів з фіксованим порогом (sqtwolog, minimaxi) і подальша декомпозиція може приводити навіть до погіршення вейвлет-фільтрації;

б) для завади у вигляді пилкоподібного сигналу від ламп денного світла необхідно застосовувати або алгоритм sqtwolog із жорстким типом порогової обробки або minimaxi з м'яким типом порогової обробки. Ефективність інших алгоритмів підвищується по відношенню сигнал/завада тільки в області високих частот завади. З ростом порядку вейвлет-розкладання вище третього ефективність вейвлет-фільтрації змінюється мало. Загальним для всіх алгоритмів вибору порога, є зростання ефективності вейвлет-фільтрації на тлі пилкоподібних завад з ростом частоти завади;

в) для завади зі структурою у вигляді меандру, що може діяти від інших ВОСЗ, рекомендовано використовувати фіксований алгоритм вибору порога, що забезпечує істотне підвищення відношення сигнал/завада, у порівнянні з іншими методами вибору порога. Кращий результат виявляється на третьому рівні вейвлет-розкладання. Подальша декомпозиція може приводити до деякого зниження ефективності вейвлет-фільтрації.

6. Запропоновано метод аналізу вейвлет-спектрограм, що надає можливість визначення якісного складу суми сигналу, завади та шуму. Наявність суцільних темних областей на вейвлет-спектрограмах сигналу вказує на відсутність шуму та завад. Шумові складові мають вигляд періодично повторюваних світлих плям зосереджених в темних областях вейвлет-спектрограм сигналу. Чим більше яскравість плями, тим більше рівень шуму. Аналогічний вигляд мають і завади, що описуються періодичними функціями.

7. Для підвищення завадостійкості ВОСЗ запропоновано застосування випромінюючих апертур у вигляді торців світловодних джгутів, що підключаються до лазерних джерел. Таке рішення дає можливість звузити сумарну діаграму спрямованості лазерної системи при достатньо низькому, прийнятному для практичного використання, рівні бокового випромінювання за рахунок зменшення відстані між елементами решітки з лазерних випромінювачів, що, як правило, мають значні порівняно з довжиною оптичної хвилі поперечні розміри.

8. Запропоновано систему стабілізації лазерного променя, що використовує пілотні сигнали зі зворотного оптичного каналу для адаптації луча до зміни положення лазерного випромінювача під дією вітру. Запропоновано для управління лазерним променем розбити оптичний сигнал, промодульований корисним сигналом, на N складових за допомогою оптичного дільника потужності, виходи якого з'єднані світловодами з електронно-керованими оптичними фазообертачами, які у свою чергу живлять випромінюючу апертуру оптичної антенної решітки у вигляді світловодного джгута. Пілотні сигнали зі зворотного каналу від приймача обробляються в пристрої управління, який формує управляючі сигнали на фазообертачі для зміни просторової орієнтації фазового фронту в апертурі оптичної антенної решітки і відповідного повороту лазерного променя, що забезпечує максимум випромінювання в напрямку приймача.

9. Розроблено метод і схему організації доступу користувачів у відкритій оптичній системі зв'язку. Пропонується організація зв'язку із просторово-часовим доступом, що реалізується у три етапи. На першому етапі обробляється заявка на зв'язок з абонентською станцією. На другому етапі визначається напрямок приходу сигналу абонента, а на третьому етапі формується оптичний промінь відповідно до заявки користувача для надання зв'язку абонентові.

10. Наведені експериментальні дослідження ймовірності помилки в ВОСЗ з використанням вейвлет-перетворень; вони мають досить гарний збіг з теоретичними даними. Розбіжність між експериментальними й теоретичними результатами в досліджуваному діапазоні довжин ліній зв'язку склало не більше 5%.

11. Застосування вейвлет-перетворення у відкритих оптичних системах зв'язку, у порівнянні із традиційно використовуваними Фур'є методами, дозволяє або збільшити довжину лінії зв'язку в 1,5-2 рази або підвищити завадозахист лінії зі значень Рпох=10-5 до Рпох=10-7…10-8, що є важливим показником ефективності вейвлет-обробки.

12. Подальший розвиток результатів досліджень пов'язаний з розробкою нових базисів й класу вейвлет-функцій для обробки сигналів в ВОСЗ, а також пошук інших засобів для підвищення якості передачі інформації в таких системах

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Колтыков А.В. Исследование влияния порядка разложения вейвлет-преобразования и алгоритмов выбора порога ограничения вейвлет-коэффициентов на снижение уровня шумов в волоконно-оптических системах связи с устройствами вейвлет-фильтрации шумов / А.В. Колтыков, В.С. Марчук // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2006. - Вып. 144. - С. 246-250.

2. Колтыков А.В. Исследования качества передачи информации в открытых оптических системах связи / А.В. Колтыков, В.С. Марчук // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2007. - Вып. 148. - С. 278-282.

3. Колтыков А.В. Экспериментальные исследования атмосферных оптических линий оперативно-диспетчерской связи / А.В. Колтыков, А.Б. Фещенко, В.С. Марчук // Проблеми надзвичайних ситуацій. - 2007. - Вып. 5. - Харків:УЦЗ України - С. 140-146.

4. Колтыков А.В. Использование лазерных решеток в открытых оптических системах связи / А.В. Колтыков, В.С. Марчук // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2008. - Вып. 155. - С. 250-254.

5. Колтыков А.В. Исследование электромагнитной совместимости в сверхширокополосных сетях абонентского радиодоступа по технологи UWB / А.В. Колтыков // Материалы 9-го международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодежь в 21-м веке». - Харьков, 2005. - С.110.

6. Колтыков А.В. Снижение уровня шумов в фотоприемных устройствах оптических систем связи с помощью вейвлет-фильтрации / А.В. Колтыков // Материалы первой международной научной конференции «Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития». - Туапсе, - 2006. - С. 28-29.

7. Колтыков А.В. Исследования влияния помех и возможностей снижения их уровня с помощью вейвлет-преобразования в открытых оптических системах связи / А.В. Колтыков // Материалы 11-го международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодежь в 21-м веке». - Харьков, - 2007. - С.79.

8. Колтыков А.В. Использование вейвлет-преобразований для снижения уровня внешних помех в открытых оптических системах связи / А.В. Колтыков // Материалы 12-го международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодежь в 21-м веке». - Харьков, - 2008. - С.124.

АНОТАЦІЯ

Колтиков О. В. Методи підвищення якості передачі інформації у відкритих оптичних системах зв'язку. - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2009. У роботі сформульоване та вирішене актуальне наукове завдання підвищення інформаційної надійності відкритих оптичних систем зв'язку шляхом використання методів вейвлет-перетворення для обробки сигналів на фоні завад, лазерної антенної решітки для поліпшення енергетики лінії, пошуку й супроводу кореспондента та просторово-часового доступу для забезпечення багатостанційного доступу. Значення результатів дисертаційної роботи для науки й практики полягає в тому, що вони визначають шляхи підвищення якості передачі інформації в ВОСЗ в специфічних для цих ліній умовах функціонування. Показано, що існуючі питання фільтрації сигналів і впливу сторонніх оптичних завад у відкритих оптичних системах зв'язку вивчені недостатньо. Запропоновано методи використання вейвлет-перетворень для обробки сигналів у відкритих оптичних системах зв'язку на фоні завад. Це дозволило зменшити ймовірність помилки з 10-6 до 10-8 імовірності помилки. Запропоновано побудову лазерних решіток з випромінюючими апертурами у вигляді світловодних джгутів з метою забезпечення поліпшення енергетики лінії за рахунок звуження сумарної діаграми спрямованості лазерної системи при достатньо низькому рівні бічних випромінювань при зменшених відстанях між елементами решітки. Запропоновано застосування просторово-часового доступу у відкритих оптичних системах зв'язку, що дозволяє забезпечувати багатостанційний доступ з багатьма кореспондентами. Проведено експериментальні дослідження підвищення якості у відкритих оптичних систем з блоком вейвлет-фільтрації, які підтверджують ефективність розроблених методів.

Ключові слова: відкрита оптична система зв'язку, вейвлет-обробка, вейвлет-перетворення, зниження рівня шумів, просторово-часовий доступ, аналіз, оптимізація, лазерні решітки, експеримент.

Колтыков А. В. Методы повышения качества передачи информации в открытых оптических системах связи. - Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2009. В работе сформулирована и решена актуальная научная задача повышения информационной надежности открытых оптических систем связи путем использования методов вейвлет-преобразования для обработки сигналов на фоне помех, лазерной антенной решетки для улучшения энергетики линии, поиска и сопровождения корреспондента и пространственно-временного доступа для обеспечения многостанционного доступа. Значение результатов диссертационной работы для науки и практики заключается в том, что они определяют пути повышения качества передачи информации в ООСС в специфических для этих линий условиях функционирования. Показано, что существующие вопросы фильтрации сигналов и воздействия сторонних оптических помех в открытых оптических системах связи изучены недостаточно. Предложены методы использования вейвлет-преобразований для обработки сигналов в открытых оптических системах связи на фоне помех. Это позволило понизить вероятности ошибки с 10-6 до 10-8. Предложено построение лазерных решеток с излучающими апертурами в виде световодных жгутов с целью обеспечения улучшения энергетики линии за счет сужения суммарной диаграммы направленности лазерной системы при достаточно низком уровне боковых излучений при уменьшенных расстояниях между элементами решетки. Предложено использование пространственно-временного доступа в открытых оптических системах связи, что позволяет обеспечивать многостанционный доступ со многими корреспондентами. Проведены экспериментальные исследования повышения качества в открытых оптических системах с блоком вейвлет-фильтрации, которые подтверждают эффективность разработанных методов.

Ключевые слова: открытая оптическая система связи, вейвлет-преобразование, вейвлет-фильтрация, снижение уровня шумов, пространственно-временной доступ, анализ, оптимизация, лазерная решетка, эксперимент.

Koltykov A. V. Methods upgrading of information transfer in the free space optics. it is Manuscript.

Dissertation work on the competition of graduate degree of candidate of engineerings sciences on speciality 05.12.02 - the telecommunication systems and networks - Kharkov national university of radio electronics, Kharkov, 2009.

Dissertation is devoted the decision of actual scientific task on development of information transfer upgrading methods in the free space optics. It is showed that the existent questions of influence of strange optical hindrances and methods of their suppression in the free space optics are studied not enough. The methods of the use of wavelet transformations are offered for treatment of signals in the free space optics on a background hindrances. It allowed to lower probabilities of error from 10-6 to 10-8. The laser grates construction is offered with radiative apertures as light-pipe plaits with the purpose of providing of line energy improvement due to narrowing of total diagram of the laser system orientation at the low enough level of lateral radiations at the diminished distances between the elements of grate. Experimental researches of upgrading are conducted in open optical systems with a block wavelet-filtering which confirm efficiency of the developed methods.

Keywords: free space optics, wavelet transformation, wavelet filtering, noise level reduction, space-time access, analysis, optimization, laser grate, experiment.

Размещено на Allbest.ru

...