Методы повышения помехоустойчивости систем синхронизации информационных коммуникаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Миронов, Кирилл Владимирович

• Миронов, Кирилл Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Миронов, Кирилл Владимирович

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ 9 КОГЕРЕНТНОГО ОПОРНОГО КОЛЕБАНИЯ

1.1. Синхронный прием

1.2. Особенности синхронного приема аналоговых ЧМ и однополосных 14 сигналов

1.3. Допустимый асинхронизм при синхронном детектировании ОБП AM 16 сигналов

1.4. Классификация методов и устройств формирования когерентного 27 опорного колебания.

1.5. Особенности тактовой сетевой синхронизации (ТСС) цифровых 37 систем.

1.6. Выводы и формулировка задач исследования

ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ СИНХРОННОЙ 52 ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

2.1. Обобщенная трактовка аналитического сигнала

2.2. Разработка нового способа когерентного приема ЧМ и однополосных 55 сигналов

2.3. Разработка нестандартного следящего гетеродина когерентного 58 приема

2.4. Еще один разработанный метод синхронного приема ЧМ-сигналов

2.5. Метод сравнения помехоустойчивости приема аналоговых сигналов 65 ЧМ и ОБП AM

2.6. Обобщение критерия помехоустойчивости аналогового сигнала

2.7. Анализ и модернизация модема ЧМ сигналов стандарта цифровой 73 сотовой связи GSM

2.8. Оценка помехоустойчивости приема сигналов истиной ОБП ЧМ

2.9 Использование формирования ОБП ФМ для синхронно-фазовой 80 компенсации зеркального канала приема

2.10. Выводы по главе

ГЛАВА 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ

ФОРМИРОВАНИЯ КОГЕРЕНТНОГО ОПОРНОГО КОЛЕБАНИЯ ДЕТЕКТОРОВ СИГНАЛОВ С ОФМн

3.1. Уточнение помехоустойчивости приема сигналов ОФМн

3.2. Разработка способа формирования опорного колебания без скачков 92 его фазы

3.3. Исследование принципиальной схемы параметрона - основы 96 предложенного метода

3.4. Особенности канала синхронизации демодулятора сигнала с 110 двукратной ОФМн

3.5. Разработка простейшего фазового модулятора для 113 экспериментального исследования опорного канала когерентного детектора

3.6. Выводы по главе

ГЛАВА 4. НОВЫЕ СПОСОБЫ ИСКЛЮЧЕНИЯ СКАЧКОВ ФАЗЫ 118 НА 180° ОПОРНОГО КОЛЕБАНИЯ ФАЗОВОГО ДЕТЕКТОРА СИГНАЛОВ С АБСОЛЮТНОЙ ФМн НА 180°

4.1. Способ приема-передачи сигналов с фазовой манипуляцией на угол 118 140°<2<p<160°

4.2. Способ формирования опорного сигнала путем деления фазы 124 входного сигнала с ФМн на 180°

4.3. Вопросы общей теории деления фазы сигнала и синхронизации 127 генераторов

4.4. Сигнально-кодовые конструкции

4.5. Особенность синхронного приема сигнала с двойной модуляцией.

4.6. Единая методика оценки помехоустойчивости синхронного приема 150 дискретных (ФМн) и аналоговых сигналов.

4.7. Сравнительная количественная оценка помехоустойчивости приема сигналов ФМн и АМн

4.8. Выводы по главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ БОРБББ1 С 157 АСИНХРОНИЗМОМ (ДЖИТТЕРОМ) СИНХРОСИГНАЛОВ В ТСС

5.1. Анализ фазового блуждания синхроимпульсов

5.2. Разработка компенсатора джиттера на базе аналоговой ФАПЧ

5.3. Использование цифровых ФАПЧ для борьбы с джиттером

5.4. Борьба с джиттером с помощью сигналов навигационных спутников

5.5. Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы повышения помехоустойчивости систем синхронизации информационных коммуникаций»

Одним из приоритетных направлений развития Федерального железнодорожного транспорта является создание единого информационного пространства как основы эффективного управления отраслью. С этой целью осуществляется интенсивная модернизация информационной среды отрасли.

Сегодня в качестве информационных коммуникаций используются цифровые системы передачи с нетрадиционными видами модуляции. Так в сотовых системах — минимальная частотная манипуляция с гауссовской фильтрацией (GMSK) или без нее (MSK), а в транкинговых системах -дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция со сдвигам фазы на 7г/4 радиан (7t/4-DQPSK) и т.д. Причем, манипулируется гармоническая несущая.

Используются также и традиционные виды модуляции: относительная фазовая манипуляция (ОФМн) на 180° гармонической несущей, аналоговые виды модуляции - ЧМ, ФМ, ОБП AM.

ОФМн используется в системах железнодорожной спутниковой связи (станции VSAT системы Транстелесат) и навигации (системы КЛУБ-У), в наземных системах передачи дискретной информации.

Аналоговые виды модуляции используются в действующих системах железнодорожной радиосвязи. И те, и другие должны обеспечивать максимальную помехоустойчивость связи, способствующую повышению безопасности движения железнодорожного транспорта.

В цифровых волоконно-оптических системах связи используется тактовая сетевая синхронизация (ТСС). Однако, период синхроимпульсов непостоянен (джиттер), что уменьшает качество приема информации (речи).

В любом случае для когерентной демодуляции дискретных и аналоговых модулированных сигналов надо иметь гармоническое опорное колебание, точно совпадающее с колебанием несущей частоты входного модулированного сигнала как по частоте, так и по фазе, т.е. надо иметь когерентное опорное колебание, при котором обеспечивается максимальная помехоустойчивость приема информации и качество речи. Реально сформированное такое опорное колебание не является полностью когерентным: есть расхождение или по частоте, или по фазе, или по тому и другому вместе, что снижает качество речи и помехоустойчивость приема.

Цель данной работы - анализ и разработка систем синхронизации полностью когерентных, т.е. с максимальной помехоустойчивостью приема сигналов и максимальным качеством речи.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи по повышению помехоустойчивости приема информации:

1. Изыскание способа формирования когерентного опорного колебания без высокочастотной модуляции для когерентного детектирования аналоговых сигналов с однополосной и частотной модуляцией;

2. Изыскание способа формирования когерентного опорного колебания без скачков фазы на 180° для когерентного детектирования сигналов с относительной ФМн на 180°;

3. Изыскание способа формирования когерентного опорного колебания без скачков фазы на 180° для когерентного детектирования сигналов с абсолютной ФМн на 180°;

4. Разработка единой методики оценки помехоустойчивости аналоговых и дискретных сигналов;

5. Разработка способов исключения асинхронизма (джиттер) в тактовой сетевой синхронизации.

Исходная основа диссертации являются:

- фундаментальных работах по теории информации К. Шеннона, теории потенциальной помехоустойчивости В.А. Котельникова, теории синхронного приема Е.Г. Момота, В.И. Сифорова, А.А. Писталькорса, Н.Т. Петровича, Д.В. Агеева, С Брени, JI.M. Финка, Э.Д. Витерби, В.В. Шахкильдяна, М.В. Капранова, А.Ф. Фомина и др.

- теоретических, прикладных исследованиях систем синхронизации А.В. Рыжкова, М.Н. Колтунова, А.А. Волкова, Г.В. Горелова, JT.A. Баранова, и др.

Диссертационная работа проводилась с целью развития теории моделирования речевого сообщения и разработки методов оценки помехоустойчивости, способов формирования опорного колебания, как для аналоговых, так и для цифровых систем передачи информации.

Методика исследований предполагает использование теории вероятностей, математического анализа, экспериментального и компьютерного моделирования.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в разработке способов формирования опорного колебания без скачков фазы на 180°, позволяющих использовать абсолютную фазовую манипуляцию на 180° вместо относительной (ОФМн), что уменьшает вероятность ошибки приема элементарной посылки в 2 раза (на ЗдБ) и упрощает аппаратуру. При этом, повышается также и помехоустойчивость приема сигналов с ОФМн методом сравнения полярностей, широко используемая на практике.

Разработанный способ формирования когерентного опорного колебания без высокочастотной модуляции из аналоговых сигналов с однополосной и частотной модуляцией, позволяет повысить помехоустойчивость приема сигналов в действующих аналоговых системах.

Материалы диссертации докладывались на одиннадцатой, тринадцатой межрегиональной конференциях НТК НТОРЭС им. А.С. Попова, один доклад сделан на международной НТК «Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI веков: Пути повышения эффективности использования перевозочного потенциала», и один доклад на 56-студенческой НТК МТУ СИ.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Миронов, Кирилл Владимирович

5.5. Выводы по главе 5

1. В системе тактовой синхронизации сети (ТСС) предложены 2 метода снижения джиттера-блуждания фазы синхроимпульсов: с помощью аналоговой ФАПЧ с добавлением противофазной ФИМ.

2. Так же предложено использование первичных эталонных синхросигналов с навигационных спутников ГЛОНАСС/GPS для ведомых генераторов и генераторов сетевых элементов.

172

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа посвящена решению проблем высокочастотной синхронизации при приеме информации: при когерентном детектировании сигналов с относительной фазовой манипуляции (ОФМн) на 180°, с абсолютной ФМн на 180°, аналоговых и цифровых сигналов, цифровой тактовой синхронизации сети (ТСС).

Основу этих решений составляют результаты, полученные в процессе выполнения работы.

1. Предложено обобщенное определение аналитического сигнала -основы квазигармонической модели модулирующего речевого сигнала.

2. Разработаны следящие гетеродины без в.ч. модуляции их колебания для демодуляции аналоговых ЧМ и ОБП AM сигналов, повышающих помехоустойчивость приема этих сигналов.

3. Предложен синхронный прием ЧМ колебаний путем преобразования их в ФМ колебания. Показано, что помехоустойчивость такого приема не ниже обычного, а реализация - упрощается.

4. Разработан способ и устройство формирования опорного колебания из входного ОФМн сигнала, полностью исключающего обратную работу когерентного детектора этого сигнала. Способ основан на использовании отсчетной посылки в качестве синхросигнала, которую запоминает параметрон. Новизна устройства защищена патентом России на изобретение.

5. Разработан новый способ и устройство формирования когерентного опорного колебания из входного сигнала с абсолютной фазовой манипуляцией ФМн на угол 140°<2ф<160°, полностью исключающий обратную работу когерентного фазового детектора этого сигнала. Данный способ повышает помехоустойчивость приема в 2 раза по сравнению с ОФМн, используемой на практике. Новизна устройства защищена патентом России на изобретение.

6. Предложено оценивать помехоустойчивость приема дискретных ФМн на 180° сигналов и аналоговых по единой методике: через обобщенный выигрыш ^ систем аналоговых сигналов. Это возможно, т.к. дискретный ФМн на 180° можно рассматривать как результат перемножения модулирующего клиппированного аналогового сигнала и гармонической несущей g<pM=\.

7. Впервые показано, что метод фазовой модуляции-демодуляции позволяет осуществлять в широкой полосе частот фазовый сдвиг на 90° входного модулированного сигнала без нелинейных искажений с погрешностью указанного фазового сдвига, много меньшей достижимой в настоящее время (1°), что обеспечивает дополнительное подавление зеркального канала минимум на 22.8дБ.

8. В системе тактовой синхронизации сети (ТСС) предложены 2 метода снижения джиттера-блуждания фазы синхроимпульсов: с помощью аналоговой ФАПЧ с добавлением противофазной ФИМ и использования первичных эталонных синхросигналов с навигационных спутников ГЛОНАСС/GPS для ведомых генераторов и генераторов сетевых элементов.

174

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Миронов, Кирилл Владимирович, 2004 год

1. Волков А.А., Особенности манипуляции и синхронного приема сигналов в цифровых системах связи стандартов GSM, TETRA.//BKCC connect, 2004, №2.

2. Момот Е.Г. Проблемы и техника синхронного радиоприема.-М.: Связьиздат, 1961, 172с.

3. Винницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ.-М.: Советское радио, 1969, 548 с.

4. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи.-М.: Воениздат, 1972.

5. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Чан Туан Ань. Качество управления речевым трафиком в телекоммуникационных сетях/Под редакцией Г.В. Горелова М.: Радио и связь, 2001.

6. Фомин А.Ф., Хорошавин А.И. Шелухин В.И. Аналоговые и цифровые синхронно-фазовые измерители и демодуляторы- М.: Радио и связь, 1987.

7. Окунев Ю.Б. Цифровая передача дискретной информации фазомодулированными сигналами. -М.: Радио и связь, 1991, 295 с.

8. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости-М.: Радио и связь, 1987.

9. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи М.: Советское радио, 1970.

10. Брени С. Синхронизация цифровых сетей связи, перевод с английского под редакцией А.В. Рыжкова-М.: Мир, 2003, 417 с.

11. И.Рыжков А.В., Попов В.А., «Синтезаторы частот в технике радиосвязи», Москва, «Радио и связь», 1991 г.

12. Рекомендация ETS -300 462-1, «Определения и терминология по сетям синхронизации», апрель 1997.

13. Рекомендация ETS -300 462-2, «Архитектура сетей синхронизации», сентябрь 1996.

14. Рекомендация ETS -300 462-3, «Управление дрожанием и дрейфом фазы в сетях синхронизации», январь 1997.

15. Рекомендация ETS —300 462-4, «Временные характеристики ведомых генераторов для обеспечения синхронизацией оборудование синхронной цифровой иерархии SDH и плезиохронной цифровой иерархии PDH» март 1998.

16. Рекомендация ETS -300 462-5, «Временные характеристики ведомого генератора для работы в оборудовании синхронной цифровой иерархии SDH», сентябрь 1996.

17. Рекомендация ETS -300 462-6, «Временные характеристики первичных эталонных генераторов», март 1998.

18. Руководящие технические материалы по построению тактовой сетевой синхронизации на цифровой сети связи Российской Федерации, ЦНИИС, М., 1995.

19. Петрович Н.Т. Относительные методы передачи информации М: Кника-М, 2003 -111с. Передача дискретной информации в каналах с фазовой модуляцией - М.: Советское радио, 1965.

20. А.с. СССР №10038. Прием фазовой телеграфии без синхронного гетеродина/Ярославский JI.C. и др., 1952.

21. Финк JI.M. Сигналы, помехи, ошибки. М.: Связь, 1978. - 273 с.

22. Горелов Г.В., Фомин А.Ф., Волков А.А., Котов В.К. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте -М.: Транспорт, 2001.

23. А.с. СССР №1522376, Устройство восстановления несущей частоты из однополосного-модулированного сигнала / Волков А.А., Приоритет от 11.08.1987.

24. Заявка на изобретение № 2004113401/09. «Детектор частотно-модулированных сигналов» /Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н. Приоритет от 5.04.2004.

25. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк JI.M. Теория передачи сигналов -М.: Радио и связь, 1976.

26. Под ред. Фомина Н.Н., Радиоприемные устройства/ М.: Радио и связь, 1996.

27. Волков А.А., Кузнецов С.Н., Еще раз о пороге ЧМ / 11-ая Межрегиональная конференция МНТОРЭС имени А.С.Попова,-Пушкинские горы, М., 2000.

28. Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н., Альтернативное определение аналитического сигнала / 11-ая Межрегиональная конференция МНТОРЭС имени А.С.Попова,- Пушкинские горы, М., 2000.

29. Миронов К.В., Вековищев В.М., Фазовые модуляторы с большим индексом / Материалы 56-ой студенческой научно-техническая конференция МТУ СИ, М., 2000, С. 60-61.

30. Миронов К.В., Перспективы спектрального уплотнения WDM// Автоматика, связь, информатика, 2004 №4 С. 15-16.

31. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи —М.: Транспорт, 1999.

32. Волков А.А. О ширине полосы частот сигнала с однополосной угловой модуляцией // Межвуз. сб. науч. тр. / ТашИЖТ. 1988. -Вып. 207/50.-С.31-36.

33. Волков А.А., Шишов B.C. Сравнение помехоустойчивости систем связи с однополосной и двухполосной частотной модуляцией //Сб. науч. тр. / ТашИЖТ. 1989. - 7 с. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС № 4984.

34. Зюко А.Г., Коробов Ю.Ф. Теория передачи сигналов. М.: Связь, 1972. - 280 с.

35. Волков А.А. Потенциальная помехоустойчивость систем связи с однополосной угловой модуляцией // Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. 1985. - № 3. - С. 35-39.

36. А.с. 1450070 (СССР), МКИНОЗ с 1/52. Формирователь однополосного сигнала / А.А. Волков. Приоритет от 5.02.87.

37. А.с. 1461356 (СССР), МКИ Н04В 7/00. Система связи / А.А. Волков. Приоритет от 30.10.86.

38. Заявка на изобретение № 2003135505/09. «Формирователь опорного колебания для когерентного детектирования сигналов с относительной фазовой манипуляцией на 180°» / Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н. Приоритет от 9.12.2003.

39. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы М.: Советское радио, 1964.

40. Мандельштам Л.И., Папалекси Н.Д. К теории параметрической генерации переменных токов в системах с малой нелинейностью и произвольной глубиной модуляции. В книге Мандельштам Л.И., Полное собрание трудов, т. 2 М.: АН СССР, 1947г.

41. Заявка на полезную модель РФ (положительное решение) по заявке № 2003136515/20 (039773). «Пассивный апериодический фазовый манипулятор на 180°» /Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н., Воривошин А.В. Приоритет от 22.12.2003.

42. Заявка на изобретение № 2004105524/09. «Приемник сигналов с абсолютной фазовой манипуляцией на угол 140°<2ф<160°»/ Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н. Приоритет от 26.02.2004.

43. Волков А.А., Миронов К.В., Синхронно-фазовой компенсации зеркального канала приема/ Материалы 13-ой Межрегиональная НТК «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи»

44. Московского НТОРЭС им. А.С.Попова,- Москва, Пушкинские горы, 2004.

45. Васильев Д.В., Витоль М.Р., Горшенков Ю.Н., Самойло К.А. Радиотехнические цепи и сигналы -М.: Радио и связь, 1982.

46. Горелов Г.В., Шмытинский В.В., и др. Цифровые телекоммуникационные системы на железнодорожном транспорте. — М.: УМК МПС, 1999.

47. Патент РФ № 2113062. Формирователь опорного колебания для детектирования фазоманипулированных сигналов /А. А. Волков, Приоритет от 28.09.1994.

48. А.с. СССР №146356, МКИ Н04В 7/00. Система связи/ Волков А.А.

49. Каплан А.Е., Кравцов Ю.А., Рылов В.А. Параметрические генераторы и делители частоты М.: Советское радио, 1966.

50. Вишневецкий А.И., Немецкий Г.М. Параметроны и их применение в устройствах связи М.: Связь, 1968.

51. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов М.: Радио и связь, 1983.

52. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости-М.: Радио и связь, 1987.

53. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи М.: Советское радио, 1970.

54. Овчиников A.M. Воробьев С.В., Сергеев С.И. Открытые стандарты цифровой транкинговой радиосвязи М.: Связь и бизнес, 2000.

55. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой модуляцией М.: Советское радио, 1965.

56. А.с. (СССР) 105692. Способ проводной радиосвязи фазоманипулированными колебаниями/ Н.Т. Петрович. Приоритет от 22.2.1954.

57. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации М.: ЭКО-ТРЕНЗ, 2000.

58. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи ЭКО-ТРЕНЗ, 1998.180