Введение к работе
Актуальность темы. Широкое внедрение персональных компьютеров во все сферы деятельности человека привело к созданию раз-ветвлённых информационных сетей, основой которых являются сети передачи данных. Одним из основных элементов этих сетей являются каналы передачи данных, которые в настоящее время строятся с использованием как проводных, так и беспроводных линий связи. Эффективность использования каналов зависит от степени согласования источника дискретных сигналов с каналом, которое осуществляется в устройстве преобразования сигналов (УПС), называемом также модемом. Актуальность задачи создания эффективных сетей передачи данных вызвала большой интерес у отечественных и зарубежных исследователей к вопросам их теории и практики. В частности, различные аспекты проблем разработки УПС рассматривались в трудах Данилова Б. С, Калмыкова Б. П., Кловского Д. Д., Курицына С. А., Свириденко В. А., Тамма Ю. А. и других, а также их зарубежных коллег, таких, как Бингхэм Д., Боккер П., Вернер Д. Д., Про-акис Д. Д., Скляр Б., Уидроу Б. Ч., Фолконер Д. Д. и др.
При этом, несмотря на существенные успехи, достигнутые в данной области, ряд проблем, возникающих при построении высокоэффективных УПС, по-прежнему представляет теоретический и практический интерес.
Как известно, при использовании модуляции гармонической несущей наибольшую помехоустойчивость обеспечивает когерентный (квазикогерентный) приём сигналов на фоне помех. При реализации данного метода одним из наиболее ответственных узлов приёмника модема является система восстановления фазы несущего колебания (СВФНК), обеспечивающая формирование в приёмнике колебания, когерентного с несущей принимаемого сигнала. Также проблема восстановления фазы несущего колебания возникает в эхокомпенса-торах высокоскоростных дуплексных модемов, поскольку наличие в сигнале дальнего эха ухода частоты несущего колебания делает необходимым включение СВФНК в состав эхокомпенсатора. Так как модем и эхокомпенсатор реализуются в цифровом виде, эта система также является цифровой. Качество слежения за фазой в СВФНК в конечном итоге определяет помехоустойчивость всего модема.
Кроме того, характеристики системы синхронизации определяют время и надёжность вхождения в связь.
Различные варианты построения цифровых модемов и эхокомпен-саторов, обеспечивающие определённые преимущества при их реализации, предполагают применение в их составе СВФНК с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации, описываемых стохастическими нелинейными разностными уравнениями высокого порядка. Модели подобных СВФНК в настоящее время не изучены. Поэтому их исследование представляет теоретический и практический интерес.
Существенным мешающим фактором в коммутируемых каналах передачи данных, оказывающим серьёзное влияние на проектирование СВФНК модемов и качество их работы, является помеха «фазовое дрожание» или джиттер фазы несущего колебания. При этом измерение характеристик данной помехи представляет собой нетривиальную задачу. Необходимость оценки параметров фазового дрожания регламентируется как международными, так и отечественными нормами. Вместе с тем, описанные в литературе практические методы ее осуществления (такие, как осциллографический и с применением систем фазовой автоподстройки), имеют невысокую точность и ограниченные функциональные возможности. Поэтому актуальной представляется разработка новых методов измерения фазового дрожания, реализующих возможности современной цифровой обработки сигналов.
При построении УПС, работающих по телефонным каналам, структура модема определяется используемым в нём методом модуляции. В настоящее время предпочтительное положение в ряде рекомендаций МСЭ-Т занимает многопозиционная относительная амплитудно-фазовая модуляция с двумя боковыми полосами частот ОАФМ ДБП. Однако при этом рекомевдации не ограничивают возможности использования и других видов модуляции.
В нашей стране, наряду с изучением возможностей разработки аппаратуры с использованием ОАФМ ДБП, апробировались возможности и другого эффективного метода передачи данных - с использованием многопозиционной относительной амплитудно-фазовой модуляции с полностью или частично подавленной одной боковой полосой частот - ОАФМ ОБП.
С информационной точки зрения потенциальные возможности многопозиционной ОАФМ ДБП и ОАФМ ОБП являются эквивалентными, и преимущества метода ОАФМ ДБП, обеспечившие ему предпочтительное положение в рекомендациях МСЭ-Т, сводятся лишь к особенностям реализации. В частности, эти преимущества заключаются в особенностях построения СВФНК.
В целях обеспечения возможности сопряжения вновь проектируемых устройств с ранее разработанным парком аппаратуры в современных условиях, когда реальным стало создание перепрограммируемых модемов, представляется целесообразным синтез новых СВФНК УПС ОАФМ ОБП, обеспечивающих наиболее полную реализацию потенциальных возможностей метода. Актуальность этих исследований обусловливается также и тем, что существует рекомендация МСЭ-Т V.36, стандартизирующая модемы для синхронной передачи данных по первичным групповым трактам с полосой 60-108 кГц, предполагающая использование в этих условиях ОАФМ ОБП. Все вышеизложенное позволяет следующим образом сформулировать цель и задачи диссертационной работы.
Цель работы состоит в исследовании проблем, возникающих при использовании цифровых систем синхронизации для восстановления фазы несущего колебания в модемах, и разработке способов и устройств для их решения.
Задачи исследования.
Математическое описание алгоритмов восстановления фазы несущей с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации.
Анализ асимптотической устойчивости СВФНК с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации.
Анализ нелинейной динамики СВФНК с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации.
Теоретическое обоснование, разработка и оценка точности спектрального метода измерения фазового дрожания.
Разработка алгоритмов построения СВФНК для устройств преобразования сигналов (УПС) с ОАФМ ОБП, устойчивых по отношению к фазовому дрожанию.
Разработка и практическая реализация цифровых модемов с использованием полученных теоретических результатов и предложенных технических решений.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории цифровой обработки сигналов, теории автоматического регулирования и управления, методы классического анализа, метод эксперимента, а также имитационное моделирование на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Осуществлено математическое описание алгоритмов восстановления фазы несущей с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации.
На основе анализа их линеаризованных моделей получены обіднє условия асимптотической устойчивости СВФНК (N + \)-ro и I[N + 2 )-го порядков.
В результате анализа нелинейной динамики СВФНК с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации определены значения фазовой ошибки в установившемся режиме при линейном законе изменения фазы входного воздействия и исследованы зависимости ширины полос захвата и удержания и длительности переходного процесса от параметров систем и порядка задержки.
Предложен метод расчета параметров СВФНК с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации с заданной длительностью переходного процесса.
Разработан спектральный метод измерения полигармонического фазового дрожания несущего колебания в коммутируемом канале передачи данных. Осуществлена оценка точности этого метода.
6. Предложен алгоритм восстановления фазы несущей в УПС
с ОАФМ ОБП, устойчивый по отношению к помехе «фазовое дрожа
ние», и с его использованием разработаны структуры модемов, наи
более полно реализующих потенциальные возможности этого метода
передачи данных.
Практическая ценность. Результаты выполненных в диссертации исследований СВФНК позволяют выработать практические рекомендации по выбору и оптимизации параметров систем слежения за частотой и фазой несущего колебания при когерентном приеме в составе цифровых модемов и эхокомпенсаторов. В частности, их использование позволило разработать и реализовать двухпроводный дуплексный модем, обеспечивающий значительно более высокую надёжность соединений на отечественных каналах по сравнению с зарубежными ана-
логами. Реализация предложенного в диссертации спектрального метода оценки параметров фазового дрожания позволила обеспечить быструю настойку эхокомпенсатора дальнего эха. Синтезированные алгоритмы построения систем синхронизации в цифровых УПС с однополосной модуляцией позволили разработать и реализовать практичесіси структуры АОФМ ОБП модемов, обеспечивающих сопряжение с ранее выпущенным парком аппаратуры, обладающих высокими техническими характеристиками и наиболее полно реализующих потенциальные возможности этого метода передачи данных. На защиту выносятся:
Математические модели алгоритмов восстановления фазы несущей с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации и результаты анализа их линейного приближения.
Полученные в результате анализа нелинейной динамики СВФНК с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации количественные зависимости, характеризующие изменение граничных частот полос захвата и удержания и длительности переходных процессов в функции от временного интервала между моментами выделения и использования синхроинформации при различных параметрах систем.
Методика расчета параметров СВФНК с разделенными моментами выделения и использования синхроинформации с заданной длительностью переходного процесса.
Спектральный метод оценки параметров фазового дрожания.
Новые алгоритмы построения фазовых дискриминаторов СВФНК цифровых модемов с АОФМ ОБП.
Практически реализованные структуры модемов, разработанные с использованием полученных теоретических результатов и предложенных технических решений.
Реализация и внедрение результатов. Основные результаты диссертации использованы в разработках Пензенского научно-исследовательского электротехнического института и внедрены в серийно выпускаемой аппаратуре. В частности, результаты исследований по проблемам разработки алгоритмов быстрой инициализации адаптивных эхокомпенсаторов, а также основанные на результатах теоретического анализа СВФНК с задержкой рекомендации по выбору и оптимизации параметров систем слежения за частотой и фазой несуще-
го колебания в эхокомпенсаторе дальнего эха внедрены в аппаратуре «УПС-9,6 КЛ», «УПС-ТФ», «УПС-NB», «Монолит», «Факел-К», «Трамплин», «Трамплин-Ч», «Разбег-В», «ПАТ», «Моделыцик-ШРС», «Низменность-К». Алгоритмы построения СВФНК, основанные на результатах теоретического анализа, рекомендации по выбору и оптимизации параметров систем слежения за частотой и фазой несущего колебания в демодуляторе приемника цифрового модема использованы в изделиях «УПС-9,6 ТЧР», «УПС-9,6 КЛ», «УПС-ТФ», «Трамплин», «УПС-NB», «Монолит», «Факел-К», «Трамплин-Ч», «Разбег-В», «ПАТ», «Моделыцик-ШРС», «Низменность-К», которыми в настоящее время оснащаются системы правительственной связи и силовых структур (ФСО, ФСБ, ГУИН, ФСКН и др.). Алгоритмы построения СВФНК АОФМ ОБП модемов с улучшенными динамическими свойствами позволили разработать структуру универсального ОАФМ ОБП модема (способного работать как с передачей пилот-сигнала, так и без него), обеспечивающую сопряжение с ранее выпущенным парком аппаратуры и позволяющую получить высокие технические характеристики, удовлетворяющие современным требованиям, максимально реализуя при этом потенциальные возможности однополосного метода передачи данных, реализованы в аппаратуре «АТ-3102», принятой на вооружение Министерством обороны РФ. Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на X Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (г. Москва, 2008 г.); на второй Всероссийской научно-практической конференции «Антитеррористическая безопасность» (г. Пенза, 2007 г.); на XVI Международной научной конференции «Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов» (г. Москва, 2007 г.); научно-технической конференции «Безопасность информационных технологий» (г. Пенза, 2006 г.) и др.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 научных трудах, в том числе три работы в журналах перечня ВАК, четыре патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем диссертационной работы - 156 страниц.
