В состав современных систем управления* входит аппаратурасвязи, построенная на основе новых цифровых телекоммуникационных технологий, обеспечивающих повышение помехоустойчивости и достоверности передачи информации, а также своевременность доведения оперативных и экстренных сообщений до потребителя за счет сокращения времени передачи и увеличения надежности доставки информации.
Одной из основных составляющих современной аппаратуры связи является абонентское терминальное оборудование (ТО) документального обмена.
Посредством ТО потребителю во всех сферах деятельности предоставляются услуги связи и телекоммуникаций. При этом предполагается, что понятие «потребитель» охватывает как людей, так и прикладные процессы в ЭВМ и. терминалах, связанные с приемом, сбором, обработкой, преобразованием, хранением, отображением, документированием и передачей информации и приня-тиемфешений на ее основе.
Информационное взаимодействие составных частей систем управления определяется базовой эталонной моделью взаимодействия открытых систем (OSI — Open Systems Interconnection). Она описана стандартом ISO 7498 Международной, организацией стандартов (ISO — International Standards Organization). Модель является международным стандартом для передачи данных. Согласно этой модели взаимодействияЛ80 'выделяются семь уровней, образующих область взаимодействия открытых систем: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный и прикладной.
Функции уровня в" зависимости от его номера могут выполняться программными, аппаратными либо программно-аппаратными средствами.
Физический уровень обычно выполняется в аппаратном виде. Данный уровень предназначен для переноса потока двоичных сигналов (последовательности бит) в виде, пригодном для передачи по конкретной используемой физической среде.
Одной из важнейших функций, которую выполняет физический уровень, является функция преобразования сигналов. Такая функция выполняется одним из тестированных канальных стыков С1.
Современное и перспективное ТО документального обмена по функциональной сложности можно разделить на следующие группы:
1 — периферийные (автономные) устройства;
2 — простые терминалы;
3 — многофункциональные терминалы;
4 — (мульти) видео документальные терминалы.
Классическим примером простого терминала является телеграфный терминал. Еще до недавнего времени телеграфные терминалы (телетайпы) были, распространены чрезвычайно широко, хотя и в. настоящее время на сетях связи страны (в* основном, Министерств обороны РФ, МЧС, МВД и ФСБ) находятся несколько десятков тысяч оконечных установок документальной электросвязи, представленных телеграфными, и факсимильными аппаратами, а также телеграфной аппаратурой специального назначения, то есть терминалами телеграфного типа.
В телеграфных терминалах функция телеграфных канальных стыков С1 реализуется с помощью входных и выходных устройств, которые отвечают требованиям стандартов [1−3].
На существующих в РоссийскойФедерации сетях телеграфной связи документальная, связь, в сложных условиях эксплуатации в настоящее время обеспечивается в основном с помощью отечественных телеграфных аппаратов (ТА) различных поколений: РТА-7А, РТА-7Б, РТА-7М, РТА-7М1, РТА-7МК, РТА-7МИ, П-115, П-116, РТА-80, РТА-80/7, а также факсимильных аппаратов П-109- П-111, П-111−1А, П-112 с телеграфными режимами работы [4]. На многих узлах связи эксплуатируются электронные телеграфные измерители пятого поколения ЭТИ-94, а также электронные размножители телеграфных сигналов. Кроме того, достаточно широко используются автономные телеграфные устройства, такие как ИСУ-ТА, ИСУ-ТА2, ЭУПУ-1 [4].
Характерной тенденцией развития перспективного ТО документального обмена является широкое внедрение современных цифровых телекоммуникационных технологий, обеспечивающих повышение помехоустойчивости и достоверности передачи документальных сообщений в сложных условиях эксплуатации [5].
При проектировании перспективных телекоммуникационных сетей и систем документальной связи требуется исходить не только из стремления к постоянному улучшению, совершенствованию и модернизации объектов связи, но и из того, чтобы дать технике телекоммуникации новое направление — интеграции телекоммуникационных услуг на основе принципов щифровизации всей передаваемой информации [6].
Очень важной задачей при создании современного ТО документального обмена, использующем средства вычислительной техники, является реализация все более «умных» функций (услуг) и сокращение участия оператора при работе ТО. Необходимо стремиться к тому, чтобы функции оператора все чаще сводились бы к заданию режимов и контролю выполнения заданий, во многих случаях способы выбора (задания) режимов были бы адаптивными [7].
Исследования, проведенные в Федеральном государственном унитарном предприятии «Калужский НИИ телемеханических устройств» (ФГУП «КНИИТМУ»), позволили определить структуру перспективного многофункционального терминала документального обмена (МФТ) с учетом возможности передачи и приема всех видов информации в существующих и перспективных системах связи и управления силовых структур Российской Федерации (РФ) и Минсвязи РФ'[8]. Такая структура представлена на рис. 1.
Основу аппаратных средств МФТ составляет типовая структура профессиональных персональных ЭВМ (ППЭВМ).
Сопряжение МФТ с различными типами физических линий должно осуществляться через модуль сопряжения с каналами связи.
Рис. 1. Схема электрическая структурная перспективного МФТ документального обмена
Поскольку МФТ должен работать как в режиме приема, так и передачи информации по различным физическим линиям связи, то основными составными частями модуля сопряжения являются входные и выходные устройства, обеспечивающие электрическое сопряжение цифровых приемников и передатчиков ППЭВМ с линиями связи.
Входные и выходные устройства МФТ должны обеспечивать работу по физическим линиям связи как с действующим парком аппаратуры документальной связи и так и с перспективным терминальным оборудованием.
Поскольку работа входных и выходных устройств, как правило, происходит в наиболее тяжелых условиях (по сравнению с другими узлами ТО), связанных с применением линейных напряжений до 160 В и линейных токах до 120 мА [9], а также с воздействиями на линии связи факторов естественного происхождения (грозовые разряды, статическое электричество) и искусственного происхождения (короткие замыкания, воздействия линий электропередач), то эти узлы в значительной степени определяют долговечность аппаратуры и надежность связи [10].
Учитывая, что режимы работы входных и выходных устройств в соответствии со стандартами [1 — 3] могут быть различными (прием и передача од-нополярных и биполярных сигналов), важным является вопрос автоматизациивыбора этих режимов.
Как* показывают детальные теоретические и экспериментальные исследования [11, 12]'весьма актуальным является вопрос исследования и разработки принципов построения адаптивных оптоэлектронных входных устройств, обеспечивающих взаимодействие терминального оборудования документального обменачерез* физические линии связи на канальном телеграфном стыке С1, поскольку имеющаяся теоретическая и практическая база в области входных устройств не позволяет в достаточно полной мере реализовать перспективные требования к терминальному оборудованию документального обмена в телекоммуникационных системах.
Одним из важнейших требований, предъявляемых к входным устройствам электрического сопряжения ТО4 с физическими линиями связи, является обеспечение гальванической изоляции («гальванической развязки») линейных и местных цепей [9, 13].
Проблема реализации гальванической изоляции во входных устройствах решалась по мере развития элементной базы различными методами. До 70-х годов XX века, в связи с отсутствием твердотельных электронных компонентов, обеспечивающих гальваническое разделение электрических цепей при информационном обмене между цепями как сигналами постоянного тока, так и переменного, использовались входные устройства, в основу работы которых был положен принцип преобразования сигналов постоянного тока в пачки высокочастотных импульсов с помощью релаксационных генераторов. Гальваническая развязка осуществлялась с помощью импульсных трансформаторов, на основе которых выполнялась схема модулятора [14].
Начиная с 1971 г., развитие полупроводниковой электроники привело к появлению нового класса твердотельных приборов — оптронов [15], которые можно было практически использовать при* построении входных устройств.
Первое оптоэлектронное входное устройство, примененное в, серийных образцах техники передачи дискретной информации, относится к 1974 г. [16].
Адаптивные оптоэлектронные входные устройства для сопряжения приемников-дискретной информации с линиями связи начинают разрабатываться и применяться с 1977 г. [17, 18].
Вопросы исследованияи разработки адаптивных входных устройств рассматривались в работах отечественных ученых Ланьшина Э. В. [16, 20, 29, 66, 68], Гелюха Л. А. [14, 19, 20, 66- 68], Шевкопляса Б. В. [12], Терентьева Б. П. [9], Копничева Л. Н. [10]. Следует отметить работы [5 — 8] Кухарева А. Д., Турилова В. А., Шабанова А. К. в сфере концепций развития, терминального оборудования документального обмена, атак же фундаментальные работы [33, 41, 49, 50] по оптоэлектронной элементной базе для входных устройств Носова Ю. Р. Заметный вклад в развитие принципов регистрации дискретных сигналов оптоэлектронными входными устройствами внесен зарубежными учеными S. Gage, D. Evans, M.HodappH.Sorensen [11] (США).
Несмотря на имеющийся как у нас в стране, так и за рубежом научно-технический задел по оптоэлектронным входным устройствам, их адаптивно-параметрические и режимно — адаптивные характеристики, а так же влияние на эти характеристики внешних дестабилизирующих факторов на предельных скоростях передачи дискретных сигналов к моменту начала работы над диссертацией не были изучены достаточно глубоко. Первые опыты практического применения оптоэлектронных входных устройств в аппаратуре передачи дискретной информации выявили ряд недостатков [19]. Это, во-первых, высокий процент краевых искажений биполярных сигналов на предельных скоростях работыво-вторых, сильная зависимость краевых искажений от параметров элементов (в основном оптронов) и при температурном воздействиив третьих, необходимость подбора элементов с заданными характеристиками при настройке. Были сделаны ошибочные выводы [19] о невозможности обеспечения предельной точности регистрации сигналов такими устройствами без периодической калибровки (регулировки) их уровней^ регистрации. Для проверки этого положения необходимо было теоретически исследовать критерии, обеспечивающие предельную точность регистрации сигналов. Не были исследованы зависимости краевых искажений биполярных сигналов с асимметрией амплитуд (постоянной и случайно изменяющейся) при их регистрации оптоэлек-тронными входными устройствами. Не был решен ряд схемотехнических вопросов с учетом реальных характеристик оптронов.
При разработке оптоэлектронных входных устройств" для регистрации однополярных сигналов, как с фиксированными, так и со случайно изменяющимися амплитудными параметрами, не были в полной мере определены критерии минимизации их искажений при действии внешних дестабилизирующих факторов, включая большой статический разброс параметров оптронов [20], а так же не были решены схемотехнические вопросы построения адаптивно-параметрических устройств.
При исследовании и разработке режимно — адаптивных устройств [18], не были достаточно исследованы цифровые методы адаптации оптоэлектронных входных устройств к виду принимаемых сигналов, определенных стандартами [1−3]. В большинстве практических случаев при подготовке ТО документального обмена к приему информации, необходимо было владеть априорной информацией о виде принимаемых сигналов, после чего требовалось вручную устанавливать соответствующий режим работы входного устройства [4] (с помощью тумблеров или заменой соответствующего блока в аппаратуре). Такой метод выбора режимов приводил к существенному увеличению времени готовности ТО к приему информации, что во многих случаях не обеспечивало требований по своевременности доведения оперативной и экстренной информации до потребителя.
Поэтому исследования изложенных проблемных вопросов в части способов построения и разработки адаптивных оптоэлектронных входных устройств (адаптивнопараметрических и режимно' - адаптивных) для сопряжения ТО документального обмена с физическими линиями связи представляются актуальными.
Цель работы — повышение точности регистрации дискретных сигналов и помехоустойчивости выбора режимов работы адаптивными оптоэлектрон-ными входными устройствами на предельных скоростях передачи сигналов, и в широком диапазоне температур.
Основными методами достижения цели являются математические и графо-аналитические методы.
Решаемые задачи для достижения поставленной цели:
1. Исследование возможностей обеспечения предельной точности регистрации биполярных сигналов.
2. Разработка и реализация метода предельной точности регистрации биполярных сигналов.
3. Разработка и реализация метода автокомпенсации краевых искажений при приеме биполярных сигналов с асимметрией амплитуд.
4. Исследование взаимосвязи между положением уровня регистрации однополярных сигналов с фиксированными амплитудами и величиной искажений сигналов при приеме.
5. Разработка методики расчета термостабильности уровня регистрации однополярных сигналов по критерию допустимых искажений.
6. Исследование взаимосвязи между амплитудами однополярных сигналов и величиной их искажений (при стабильном уровне регистрации).
7. Разработка адаптивно-параметрических способов и технических решений для регистрации однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами.
8. Исследование методов и разработка вариантов решений, обеспечивающих режимную адаптацию входных устройств.
9. Схемная оптимизация режимно — адаптивных входных устройств по критериям быстродействия и помехоустойчивости.
Методы исследований
Перечисленные задачи решены методами дифференциального исчисления, гиперболической тригонометрии, прямолинейной тригонометрии (решение треугольников), алгебраическими методами (показательные и логарифмические функции).
Научная новизна
1. Сформированы и обоснованы критерии предельной точности регистрации биполярных сигналов с симметричными амплитудами.
2. Впервые предложен и исследован метод автокомпенсации краевых искажений при приеме биполярных, сигналов со случайно изменяющейся асимметрией их амплитуд.
3. Установлены математические соотношения между допустимой относительной величиной искажений однополярных сигналов и относительным значением нестабильности уровня их регистрации для любых скоростей работы, в том числе и для предельных.
4. Впервые предложена методика расчета температурной стабильности уровня регистрации оптоэлектронного входного устройства при каскодном методе включения фотоприемников оптронов.
5. Теоретически обоснованы допустимые изменения диапазона уровней регистрации однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами.
6. Впервые предложены критерии построения адаптивных оптоэлек-тронных входных устройств для приема однополярных сигналов с точностью, близкой к предельной, в широком диапазоне действия дестабилизирующих факторов (температура, радиация).
7. Впервые предложены и исследованы методы режимной адаптации оп-тоэлектронных входных устройств и проведена их оптимизация по критериям быстродействия и помехоустойчивости.
Практическая значимость работы
1. Разработанные методы и методики расчета и проектирования адаптивных оптоэлектронных входных устройств, разработанные структурные и структурно-электрические схемы и схемные решения обеспечивают создание оптоэлектронных входных устройств повышенной эффективности, которые оптимизированы по точности регистрации дискретных сигналов, помехоустойчивости и времени выбора режима работы, обеспечивают работу в очень широком диапазоне температур (близком к предельному значению для оптоэлектронных элементов — оптронов) и на предельных скоростях работы. Возможность совмещения в новых устройствах адаптивно-параметрических и ре-жимно — адаптивных свойств практически полностью делает входные устройства автоматизированными и< универсальными и исключает необходимость участия операторов при эксплуатации таких устройств в составе автоматизированных комплексов документальной связи. Это сокращает время и повышает достоверность и надежность доведения оперативной и экстренной информации до потребителя.
2. Разработанные структуры адаптивных оптоэлектронных устройств позволяют реализовывать их на современной отечественной и зарубежной элементной базе, в том числе с использованием программируемых логических интегральных схем — ПЛИС, что создает предпосылки для их миниатюризации и возможности встраивания в средства вычислительной техники и систем управления.
3. На основе результатов диссертационной работы созданы принципиально новые технические решения оптоэлектронных входных устройств для сопряжения приемников дискретной информации с линиями связи. Все предложенные в диссертационной работе технические решения защищены 19 охранными документами на объекты интеллектуальной собственности (авторские свидетельства СССР на изобретения и патенты Российской Федерации), что позволяет рассчитывать на возможность заключения лицензионных соглашений и привлечение инвестиций при реализации инновационных проектов в области телекоммуникационных систем.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на ежегодных Всероссийских конференциях «Новые информационные технологии в системах связи и управления». — Калуга, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг. — 11 докладов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе: 11 статей — в трудах вышеназванных ежегодных конференций;
— 4 статьи — в журналах «Техника средств связи» (серия «Техника проводной связи»), журнале «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания»;
— 2 работы — в информационных листках о научно-техническом достижении.
Новые технические решениярассмотренные в диссертационной работе, защищены^ 19 охранными документами (авторские свидетельства СССР на изобретения и патенты РФ).
Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований адаптивных оптоэлектронных входных устройств отражены в отчетах по научно-исследовательским работам и материалах опытно-конструкторских работ, проводимых в ФГУП «КНИИТМУ» (г. Калуга).
Внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены:
— ФГУП «Калужский НИИ— телемеханических устройств» (ФГУП «КНИИТМУ») (г.Калуга) в телеграфном коммутационном комплексе^ узлов^связи (ТКК УС), который построен на базе адаптера телеграфного вось-миканального (АТ-8) (Приложение А, рис.А.1), в первом отечественном связном защищенном многофункциональном терминале (СЗМТ) документального обмена, в новом классе оптоэлектронных телекоммуникационных модулей МСД и МСТ для сопряжения ПЭВМ с АПД и терминалами телеграфного типа;
— ОАО «Концерн ПВО «Алмаз — Антей» (ОАО «Московский НИИ, приборной автоматики» — ОАО «МНИИПА») (г.Москва) в изделии 45Л6 — 1С, обеспечивающемфаботу по открытым и закрытым каналам связи;
— ФГУП «Калужский завод телеграфной аппаратуры (ФГУП „КЗТА“)» (г.Калуга) в терминальном оборудовании документального* обмена и технике связи специального назначения;
— ФГУП «НИИ «Масштаб» (г.Санкт-Петербург) в оптоэлектронных телекоммуникационных модулях аппаратуры 98Ф6М.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, списка литературы и приложений.
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:
Установлены причины краевых искажений биполярных сигналов, влияющие на точность их регистрации.
На основе математического анализа уравнений участков фронтов, в зоне которых происходит регистрация сигналов, сформированы и обоснованы критерии, выполнение которых обеспечивает предельную точность регистрации биполярных сигналов с симметрией амплитуд.
Разработан алгоритм и временная диаграмма преобразования биполярных сигналов, обеспечивающие предельную точность их регистрации.
На основе алгоритма разработаны^ структурные и схемные решения входного устройства, проведена их оптимизация по заданным критериям.
На основе анализа свойств биполярных сигналов с постоянной асимметрией амплитуд предложены метод, структурная и схемная реализация входного устройства, минимизирующие краевые искажения при приеме сигналов.
Разработан и теоретически обоснован метод автокомпенсации краевых искажений биполярных сигналов со случайно изменяющейся асимметрией амплитуд.
Предложено адаптивно-параметрическое входное устройство, в котором’реализован метод автокомпенсации краевых искажений биполярных сигналов при их приеме.
Показаны математические взаимосвязи между значениями уровней регистрации однополярных сигналов и их амплитудамиустановлены критерии минимизации искажений сигналов.
Показано влияние температурных характеристик диодных оптронов на параметры входного устройства для регистрации однополярных сигналов.
Установлены критерии выбора параметров входных устройств, обеспечивающих максимальный запас устойчивости связи.
На основе предложенной методики расчета оптоэлектронного входного устройства разработано входное устройство с каскодным включением фотоприемников оптронов, обеспечивающее работу в температурном диапазоне минус 60 до плюс 85 °C на предельных скоростях.
Сформулированы требования к погрешностям настройки уровня регистрации < однополярных сигналов! и предложены варианты устройств, обеспечивающие прецизионную настройку.
Исследованы решения дифференциального уравнения физической линии (телеграфное уравнение) и их влияние на точность регистрации однополярных сигналов.
Показано, что. для минимизации краевых искажений однополярных сигналов со случайно изменяющимися амплитудными параметрами необходимо применение адаптивно-параметрических входных устройств.
Установлены принципиальные особенности построения адаптивно-параметрических устройств для различных каналов связи (коммутируемые или закрепленные).
Разработаны варианты адаптивно-параметрических устройств, и по результатам их оптимизации предложено входное устройство с повышенной стойкостью к действию дестабилизирующих факторов (температура, радиация, старение), не требующее настроек как при производстве, так и в эксплуатации.
Обоснована необходимость создания режимно — адаптивных входных устройств для автоматизированных систем документальной связи, когда отсутствует априорная информация о виде сигналов взаимодействия (однопо-лярные или биполярные).
Предложены и исследованы принципы построения режимно — адаптивных устройств.
Показано, что режимно — адаптивные входные устройства, использующие цифровой принцип адаптации, превосходят по помехозащищенности устройства на других принципах адаптации.
Разработано и исследовано универсальное режимно — адаптивное устройство, в котором совмещены функции адаптивно-параметрических устройств для регистрации однополярных и биполярных сигналов. Показана возможность программного управления режимами этого устройства от ПЭВМ.
Обоснована высокая степень универсальности предложенного устройства и целесообразность его использования как в действующем парке терминального оборудования документального обмена, так и в перспективных автоматизированных системах связи.
Результаты диссертационной работы успешно внедрены при выполнении разработок в интересах отрасли телекоммуникаций, в том числе по заказам МЧС и Минобороны России.
Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом эффект подтверждены соответствующим актом внедрения.
Диссертация в целом представляет собой научно-квалификационную работу, в которой впервые решаются задачи повышения надежности документальной связи за счет разработки и использования адаптивных оптоэлектрон-ных входных устройств.