Разработка и исследование устройств управления передачей информации на тональной частоте

Актуальность темы

.

Современные телекоммуникационные сети предоставляют потребителям широкий набор услуг, включая электронную почту, передачу факсимильных и голосовых сообщений, работу с базами данных, службу новостей и телеконференций [1]. Использование крупномасштабных сетей передачи информации общего пользования, построенных на основе электросетей общего пользования обеспечивает доступ к ресурсам сети любым пользователям [1]. Сегодня сети общего пользования обеспечивают надежную передачу данных по низкоскоростным каналам (например, сеть РОСПАК, имеющая статус федеральной сети общего пользования, все узлы сети РОСПАК расположены на предприятиях электросвязи) [1]. В качестве обозначенных каналов широко используются каналы тональной частоты, полоса пропускания которых ограничена диапазоном 300−3400 Гц [2]. Следовательно, полоса передаваемых сигналов также ограничена этим диапазоном.

Эксплуатация сетевого оборудования предполагает обязательное наличие систем управления ресурсами сети [3]. Задача систем управления передачей потоков информации по телекоммуникационным сетям заключается в поддержании функционирования сети связи в целом и ее отдельных элементов с целью предоставления потребителю услуг с заданным качеством и надежностью [3, 4].

Одной из задач системы управления является управление элементами сети (например, коммутатор) [3]. Коммутатор устанавливает соединение между сетевыми элементами, в качестве которых выступают индивидуальные рабочие места. Система управления распознает сетевые элементы и отрабатывает их запросы. На основе сигналов управления система управления воздействует на коммутатор и обеспечивает потребителям доступ к ресурсам сети.

Построение телекоммуникационной сети на основе сети электросвязи приводит к тому, что роль коммутатора выполняет коммутационное оборудование узла электросвязи. Поскольку коммутация и дальнейшая передача информации осуществляется по однонаправленным трактам, то при работе с сетевыми элементами, использующими двунаправленный интерфейс, необходимо применение адаптера перехода с двунаправленных каналов на однонаправленные [5].

С учетом сказанного, обобщенная структурная схема системы управления приведена на рис. 1. Наличие устройства перехода с двунаправленной линии на однонаправленные приводит к искажению сигнала обратного канала из-за наличия паразитного сигнала просачивания из прямого канала, что характерно для устройств данного класса [5, 6]. Устройство управления производит декодирование управляющих сигналов сетевых элементов, причем сигналы поступают по обратному каналу и, следовательно, подвергаются искажениям. Причем искажения обусловлены устройством сопряжения и каналами передачи. Таким образом, возможно ложное срабатывание устройства управления и ошибочная коммутация.

Кроме управления сетевыми элементами, система управления обеспечивает контроль их функционирования [3]. Данное обстоятельство напрямую связано с областью исследования специальности 05.13.05. Следовательно, необходимо обеспечить контроль функционирования устройств сопряжения. Качество работы, которых во многом определяется стабильностью параметров каналов тональной частоты. Каналы тональной частоты характеризуются большим разбросом параметров, который обусловлен существованием широкого класса линий связи, а также их протяженностью [5]. Наличие.

Рис. 1. Обобщенная структура системы управления передачей информации указанного контроля позволяет косвенным образом осуществить проверку двунаправленной линии на соответствие ее параметров.

Следовательно, в роли основного фактора, влияющего на качество работы устройства управления, выступает разброс параметров каналов тональной частоты.

Таким образом, тема данной работы, посвященная разработке и исследованию устройств управления передачей информации на тональной частоте с целью уменьшения влияния изменений параметров каналов тональной частоты на качество работы систем управления передачей информации, несомненно, является актуальной.

Необходимо отметить два аспекта в разработке и исследовании устройств управления передачей информации на тональной частоте:

1. разработка устройств управления обменом информацией между двунаправленной линией и однонаправленными;

2. разработка алгоритма обработки тональных сигналов управления, претерпевших линейные искажения в каналах тональной частоты.

Краткий обзор литературы.

Основная проблема при сопряжении двунаправленной линии с однонаправленными — это подавление сигнала просачивания, который присутствует в обратном канале при передаче в двунаправленную линию сигнала с выхода прямого канала (рис.1). От степени подавления сигнала просачивания зависит правильность распознавания управляющих сигналов устройством управления, а также качество и дальность передачи сигнала. Знание параметров каналов тональной частоты в конкретном случае позволяет произвести соответствующую корректировку параметров передаваемых сигналов с целью оптимизации функционирования. При таком подходе возникает задача измерения параметров и характеристик каналов, что предполагает значительное повышение аппаратных и временных затрат [6]. Поэтому решение поставленной проблемы следует искать в разработке и исследовании устройств и методов обработки сигналов, устойчивых к разбросу параметров каналов тональной частоты. Следует также произвести исследование данных устройств и методов на возможность организации процедуры адаптации к разбросу параметров линий связи. Адаптация предполагает изменение параметров и характеристик устройств в соответствии с параметрами каналов тональной частоты. По изменениям параметров устройств можно произвести обратное противопоставление, позволяющее установить исправность каналов.

В настоящее время устройства сопряжения двунаправленных линий с однонаправленными используют дифференциальные системы, т. е. принцип вычитания синфазных сигналов, с целью получения нулевого сигнала просачивания, образующийся этой разностью [7, 8]. Точная синфазность сигналов достигается при условии равенства импеданса двунаправленной линии и полного сопротивления балансного контура дифсистемы. Качество сопряжения характеризуется коэффициентом подавления сигнала просачивания из прямого канала в обратный канал. Наличие сигнала просачивания обусловлено нарушением синфазности сигналов. Причем коэффициент подавления носит экстремальный характер и меняется от 35 до 10 дБ в рабочем диапазоне частот [6]. Следовательно, применение дифсистем в каналах тональной частоты требует учета разброса их параметров. Поскольку параметры сигнала просачивания зависят от параметров двунаправленной линии, то подавление сигнала просачивания предполагает наличие процедуры коррекции параметров балансного контура в соответствии с импедансом линии [9−11].

Максимальная дальность передачи информации зависит от затухания сигналов в проводах линии связи, которое может быть скомпенсировано применением двустороннего усилителя. Особенностью устройств двустороннего усиления является зависимость качества их работы от степени разброса параметров линий связи. В настоящее время двусторонние усилители строятся по мостовым схемам и обеспечивают двустороннее усиление до 11 дБ [12] при номинальных параметрах линий.

Разброс параметров каналов тональной частоты, а также наличие участков перехода с двунаправленной линии на однонаправленные, существенно влияют на правильность распознавания переданных по ним управляющих и служебных сигналов. Данные сигналы предназначены для управления процессом коммутации, а также содержат сведения об источнике сигнала, которые необходимы системе управления телекоммуникационной сетью для предоставления источнику дополнительных услуг. В качестве метода, предназначенного для распознавания двухчастотных посылок, используется аппаратная фильтрация сигналов [13] и цифровая обработка с применением спектрального анализа, основанного на дискретном преобразовании Фурье [14, 15].

Формулировка цели предпринимаемого исследования.

Целью работы является разработка и исследование устройств управления передачей информации на тональной частоте. Разработка подобных устройств предполагает создание математической модели, связывающей управляемые величины с параметрами линий связи. Для достижения поставленной цели исследования проводились по следующим направлениям:

1. Исследование и развитие метода временного разделения при сопряжении узкополосной двунаправленной линии тональной частоты с однонаправленными;

2. Разработка и исследование математической модели импульсного устройства сопряжения двунаправленной линии с однонаправленными на основе временного разделения;

3. Построение и исследование системы адаптации импульсного устройства сопряжения к разбросу импеданса каналов тональной частоты;

4. Развитие теории двустороннего усилителя тональной частоты на основе разработанной математической модели импульсного устройства сопряжения;

5. Разработка метода контроля функционирования импульсного устройства сопряжения с учетом импеданса канала тональной частоты;

6. Разработка алгоритма обработки управляющих двухчастотных посылок, переданных по каналам с неравномерной амплитудно-частотной характеристикой, требующего минимальных временных и аппаратных затрат. Исследование устойчивости алгоритма к разбросу параметров обрабатываемых сигналов при наличии помех.

Методы исследования.

Для решения проблемы сопряжения узкополосной двунаправленной линии с однонаправленными, предлагается использование временного разделения, которое при работе на узкополосную нагрузку характеризуется наличием переходных процессов в элементах схемы, осуществляющей сопряжение. Поскольку, в общем случае, схема и нагрузка содержат емкостные и индуктивные элементы, то описание электрической схемы системой уравнений Кирхгофа в операторной форме позволяет учесть начальные условия непосредственно в исходных уравнениях, тем самым упростить процесс анализа схемы. Таким образом, исследование устройства сопряжения производится по методу переменных состояния [16]. Расчет производится для различных режимов работы устройства и при различном входном сопротивлении двунаправленной линии. Затем, на основе полученных результатов, производится построение математической модели и определение основных параметров устройства сопряжения, используя в качестве аргументов параметры элементов устройства сопряжения. Соответствие математической модели экспериментальным наблюдениям проверяется по критерию знаков с использованием статистики Фишера, и по значимости коэффициента корреляции, что позволяет сделать вывод об отсутствии систематической ошибки в полученной модели [17].

На основе, математической модели импульсного устройства сопряжения производится построение и исследование системы адаптации устройства к разбросу параметров линий связи. Кроме того, по результатам теоретического исследования математической модели импульсного устройства сопряжения, производится разработка метода контроля функционирования устройства сопряжения и исправности канала тональной частоты, нагруженного сетевым элементом. На основе теоретических соотношений, полученных при построении системы адаптации, производится построение и исследование двустороннего усилителя тональной частоты.

Разработка и исследование алгоритма распознавания двухчас-тотных посылок производится путем математического моделирования входной многочастотной посылки с различными параметрами образующих ее сигналов и программным распознаванием данной посылки. Поскольку, одним из вариантов использования алгоритма распознавания является применение программного распознавания, то данный вид моделирования позволяет достаточно точно определить характеристики метода.

Таким образом, теоретическая часть работы выполнена с использованием комплексного и операторного методов расчета, метода переменных состояния, методов теории управления и математической статистики. Теоретические исследования и анализ экспериментальных исследований проводились с использованием программных средств Mathcad (MathSoft Inc.) и в среде Turbo Pascal (Borland Inc.).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав основной части и заключения. Первая и вторая главы посвящены разработке и исследованию математической модели импульсного устройства сопряжения в различных режимах работы. На основе полученных результатов производится разработка метода контроля функционирования устройства сопряжения и разработка двустороннего усилителя. Результаты исследований приводятся в третьей и четвертой главах. Пятая глава посвящена разработке и исследованию алгоритма распознавания сигналов, прошедших по каналам тональной частоты и подвергшихся линейным искажениям.

Результаты исследования внедрены в производстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе разработки и исследования устройств управления передачей информации на тональной частоте получены результаты, имеющие как теоретический, так и прикладной характер. Впервые разработан способ сопряжения узкополосной двунаправленной линии с однонаправленными, основанный на временном разделении работы прямого и обратного каналов, дополнительно использующий эффект принудительного создания на входе двунаправленной линии знакопеременного переходного процесса и процедуру интегрирования напряжения в обратном канале. Знакопеременное напряжение переходного процесса достигается путем установки на входе двунаправленной линии последовательного колебательного контура. Теоретическое исследование предложенного способа показало зависимость подавления сигнала просачивания от шага дискретизации. Указанная зависимость носит экстремальный характер, т. е. существует оптимальный шаг дискретизации, при котором коэффициент подавления имеет наибольшее значение. По данному способу разработана математическая модель импульсного устройства сопряжения при оптимальном шаге дискретизации. Математическая модель построена с учетом импеданса двунаправленной линии и параметров ЬС контура. Анализ математической модели показал:

— характер переходного процесса не влияет на процесс сопряжения;

— оптимальный шаг дискретизации определяется активной составляющей импеданса нагрузки и параметрами ЬС контура;

— частота передаваемого сигнала не влияет на величину оптимального шага дискретизации;

— условием сопряжения двунаправленной линии с однонаправленными является превышение активной составляющей сопротивления линии связи характеристического сопротивления колебательного контура.

Разработанная математическая модель импульсного устройства сопряжения является линейной для действующих в ней электрических сигналов. Показано, что напряжение просачивания складывается из реакции ЬС контура на импульсное воздействие и реакции двунаправленной линии на передаваемый сигнал.

Справедливость математической модели импульсного устройства сопряжения при оптимальном шаге дискретизации подтверждается экспериментальными зависимостями, полученными на макете импульсного устройства сопряжения, который разработан на основе предложенного способа. Отклонение экспериментальных данных относительно теоретических значений не превышает 10%. Новизна предложенного способа подтверждена патентом [95].

Наличие оптимального шага дискретизации позволяет использовать принцип изменения шага дискретизации для адаптации к активной составляющей сопротивления двунаправленной линии связи. Исследование математической модели импульсного устройства сопряжения в режиме расстройки показывает, что режим расстройки сопровождается появлением постоянной составляющей в напряжении просачивания. Знак постоянного напряжения просачивания определяется величиной отклонения шага дискретизации от оптимального значения. Таким образом, равенство нулю постоянной составляющей напряжения просачивания является критерием точной настройки импульсного устройства сопряжения.

Исследована математическая модель импульсного устройства сопряжения в режиме разброса сопротивления нагрузки, т. е. в режиме, отклонения активной составляющей импеданса двунаправленной линии от номинального значения. По результатам анализа математической модели импульсного устройства сопряжения разработана система автоматической подстройки к параметрам каналов тональной частоты. Настройка заключается в изменении шага дискретизации до получения нулевой постоянной составляющей напряжения просачивания. Дополнительное подавление напряжения просачивания осуществляется путем формирования компенсирующего сигнала из напряжения прямого канала с последующим его вычитанием из напряжения обратного канала.

Теоретический анализ системы автоподстройки нуля постоянного напряжения показывает, что воздействие квазибелого шума или импульсной помехи с отношением сигнал-шум не хуже 6 дБ не оказывает влияния на процесс автоподстройки. Наличие шума выражается в уменьшении коэффициента подавления не более чем на 1 дБ.

На основе проведенных теоретических исследований разработано импульсное устройство сопряжения двунаправленной линии с однонаправленными. Новизна устройства подтверждена патентом [96].

Анализ математической модели импульсного устройства сопряжения позволил разработать на ее основе метод контроля функционирования импульсного устройства сопряжения по коэффициенту отражения. Кроме того, данный метод может быть использован для определения полного сопротивления линии. Так, активной составляющей противопоставляется шаг дискретизации, а полному сопротивлению — коэффициент отражения относительно номинального сопротивления. Применение описанного метода стало возможным благодаря тому, что амплитуда напряжения обратного канала за вычетом некоторой константы, равна коэффициенту отражения. Характер сопротивления линии определяется фазовым сдвигом между напряжением обратного канала и выходным напряжением прямого канала. Так, положительный фазовый сдвиг свидетельствует об индуктивном характере сопротивления линии, а отрицательный фазовый сдвиг о емкостном характере. Разработанный метод позволяет определить сопротивление двунаправленной линии на любой рабочей частоте. Проведенные экспериментальные исследования импульсной схемы определения полного сопротивления показывают, что отклонение коэффициента отражения не превышает 10% от теоретического значения.

На основе математической модели импульсного устройства сопряжения разработан двусторонний усилитель сигналов тональной частоты. Предлагаемый двусторонний усилитель по принципу построения объединяет метод коммутации направления усиления и метод, осуществляющий переход с двунаправленного участка на однонаправленные. Двусторонний усилитель построен на базе двух импульсных устройств сопряжения и двух односторонних усилителей тональной частоты, поскольку на образовавшемся четырехпровод-ном участке присутствуют непрерывные сигналы тональной частоты. Односторонние усилители обеспечивают усиление входных сигналов в соответствующем направлении. Разделение направлений передачи входных сигналов производится на частоте дискретизации. Адаптация двустороннего усилителя предполагает раздельную подстройку каждого импульсного устройства к соответствующему участку двунаправленной линии. Теоретический анализ устойчивого усиления двустороннего усилителя при работе на реальные двунаправленные линии показал возможность обеспечения двустороннего усиления сигналов до 16 дБ, при сохранении запаса устойчивости равного 10 дБ. Проведенные экспериментальные исследования двустороннего усилителя подтвердили правильность полученных теоретических результатов.

Для распознавания многочастотных управляющих сигналов разработан алгоритм цифровой обработки сигналов, позволяющий произвести спектральный анализ в ограниченном частотном диапазоне, выполняя две операции умножения для получения амплитуды спектральной составляющей. Алгоритм позволяет определить амплитуду произвольной спектральной составляющей без просчета всех остальных спектральных линий. Исследование работы алгоритма производится путем двадцати четырех кратного распознавания одной комбинации частот при различных фазовых сдвигах.

Распознавание двухчастотной комбинации с однобитным квантованием производится с вероятностью, равной единице, при длительности посылки 20 мс, шаге дискретизации 20 мкс, перекосе амплитуд не более ± 4 дБ, нестабильности частоты не более ± 0.25%. Воздействие шума с отношением сигнал/шум от 18 до 3 дБ или периодической помехи частотой 50 Гц с отношением сигнал/шум от минус 12 до 2 дБ приводит к увеличению допустимого перекоса амплитуд до ± 6.5 дБ и (+8 -г -11) дБ соответственно. Оптимальный шаг дискретизации лежит в интервале от 10 до 20 мкс.

Решение о наличии в принятой реализации конкретной частоты принимается по превышению амплитуды нормированной спектральной составляющей порога Уо=0.252.

Распознавание двухчастотной комбинации с однобайтным квантованием производится с вероятностью, равной единице, при длительности выборки не менее 10 мс, шаге дискретизации не более 167 мкс и перекосе амплитуд не более ± 6 дБ;

По предложенному алгоритму распознавания двухчастотных посылок разработан вариант селективного цифрового фильтра, особенностью которого является наличие задержки появления значения амплитуды спектральной составляющей на выходе фильтра на один период искомой частоты относительно конца входного сигнала.

На основе предложенного способа сопряжения узкополосной двунаправленной линии с однонаправленными разработаны: импульсное устройство сопряжениядвусторонний усилитель тональной частотыимпульсная схема определения полного сопротивления линии. По разработанному алгоритму составлена программа распознавания двухчастотных посылок и схема селективного цифрового фильтра.