Ф 2.2. Асимптотическое поведение импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем .113.
2.3. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов .117.
Список литературы
.125.
Приложение 2.1 .127 ф) 3. Вопросы оптимизации параметров асимптотической коррекции и ее практической реализации .130.
3.1.
Введение
.130.
3.2. Об оптимизации передаточной функции фильтра-формирователя в системе асимптотической коррекции .132.
3.2.1. Задача выбора формы передаточной функции фильтра-формирователя .134.
3.2.2. Результаты расчетов .138.
3.3. Об оптимизации формы импульсной реакции на выходе фильтра-формирователя.142 Ш.
3.4. Определение энергетического спектра межсимвольной помехи в системе с асимптотической коррекцией .153.
3.5. Исследование возможностей реализации асимптотической коррекции для минимизации межсимвольных помех .158.
Список литературы
.
4. Обоснование выбора кода ДБК-ЧПИ в качестве линейного сигнала для электрических цифровых линейных трактов .172.
4.1.
Введение
.172 д.
4.2. Постановка задачи и ее решение.174.
Список литературы
.188.
Приложение 4.1 .191.
Приложение 4.2 .192 5. О возможности повышения эффективности использования цифровых линейных трактов с использованием кода ДБК-ЧПИ .194.
5.1.
Введение
.194.
5.2. Анализ методов повышающих эффективность использования цифровых телекоммуникационных систем передачи .195.
5.3. Методика расчета длины регенерационного участка .199.
5.3.1. Определение допустимой защищенности от помех от линейных переходов для регенераторов ЦСП по симметричным кабелям .200.
5.3.2. Определение ожидаемой защищенности от помех от линейных переходов для регенераторов ЦСП по симметричным кабелям .203.
5.3.3. Определение допустимой и ожидаемой вероятности ошибки и защищенности для регенераторов ЦСП т по коаксиальным кабелям .204.
5.3.4. Расчет длины регенерационного участка .205.
5.4. Анализ результатов расчета длины регенерационного участка .208.
5.4.1. Кабель КСПП 1x4x0,9 .208.
5.4.2. Кабель ЗКП 1x4x1,2 .212.
5.4.3. ВЛС .215.
5.5. Некоторые аспекты практического применения линейного.
• кода ДБК-ЧПИ .218.
Список литературы
224.
Приложение 5.1 .227.
А.
Заключение
.232.
Список работ автора по теме диссертации .234.
Актуальность проблемы. 18 июня 2003 г. Государственной Думой принят Федеральный закон «О связи» — открывающий новый этап в развитии российских телекоммуникаций, а именно, превращения российского общества на базе конвергентного объединения информации и телекоммуникации в электронно-информационное общество. При этом сетевой основой российских телекоммуникаций определена Единая сеть электросвязи (ЕСЭ), являющейся преемницей Взаимоувязанной сети связи (ВСС), создававшейся и развивавшейся в Российской Федерации с 1992 г. по 2003 г.
В общем составе сетей, входящих в ЕСЭ, сеть общего пользования (ОП) является доминирующей, обслуживает подавляющее число пользователей ЕСЭ и определяет устойчивость функционирования ЕСЭ в целом.
Существующее состояние сетей ОП характеризуется высокими темпами внедрения новых технологий — волоконно-оптические технологии, IP-телефония, подвижная связь и т. д. Вместе с тем, указанные позитивные процессы еще не охватили все сети, расположенные на территории страны. Поэтому сеть ОП России отличается крайней неравномерностью: наряду с передовыми технологиями на сети имеется большое количество устаревшего оборудования предшествующих поколений, на ней не внедрено универсальное обслуживание, имеется большое количество населенных пунктов, имеющих сеть ОП с использованием аналоговых технологий. В целом сеть ОП ЕСЭ еще не соответствует уровню сетей европейских и других развитых мировых стран.
Мировыми тенденциями в развитии сетей ОП являются: глобализация, т. е. объединение национальных сетей в мировыеконвергенция телекоммуникационных и информационных сетей и превращение их в инфокоммуникационные сетиинтеграция сетей ОП и сетей ограниченного пользования с целью предоставления корпоративным и спецабонентам специфических услуг путем образования виртуальных частных сетей на базе сетей ОП.
Таким образом, имея в виду социальное, общественное и стратегическое значение сетей ОП, перспектива их развития должна стать главной задачей Администрации связи Российской Федерации.
Такой перспективой на данном этапе развития ЕСЭ следует считать переход к построению мультисервисных сетей с предоставлением любому пользователю на территории Российской Федерации как общедоступных услуг универсального обслуживания, так и новых, перспективных.
Под мультисервисной сетью понимается совокупность телекоммуникационных и информационных ресурсов, совместная эксплуатация которых направлена на удовлетворение потребностей пользователей в традиционных и перспективах инфокоммуникационных услугах. При преобразовании сетей связи общего пользования в мультисервисные основными функциями остаются передача и распределение информации.
В сфере передачи информации стратегическим направлением является дальнейший количественный рост пропускной способности используемых линий и узлов электросвязи за счет технологического развития оптических способов передачи и методов уплотнения по длине волны, переход к полностью оптическим сетям. Однако при разработке путей развития средств и методов передачи информации в сети ОП должны учитываться национальные отличия России, а именно: меньший уровень телефонизации и развития телекоммуникационных и информационных сетейбольшое количество устаревшей аналоговой техники на сетях связи работающей по электрическим линиям связибольшая территория России, значительные расстояния, большая неравномерность плотности населения, развития связи и Интернета по регионам Россииразличия в состоянии экономики и в уровне благосостояния населения.
В этой связи актуальной проблемой представляется задача оптимизации существующих электрических цифровых линейных трактов (ЦЛТ) первичной сети ОП таким образом, чтобы их параметры по пропускной способности и дальности передачи информации были сопоставимы с соответствующими параметрами оптических цифровых линейных трактов PDH (по крайней мере на местном и внутризоновом участках первичной сети), а сами электрические ЦЛТ не подвергались бы при этом существенной реконструкции.
Важность решения поставленной задачи обусловлена тем обстоятельством, что в настоящее время значительная часть каналов и трактов местного и внутризонового участков первичной сети предназначенных для передачи цифровой информации формируемых мультисервисных сетей, организована с использованием электрических цифровых линейных трактов, достигая при этом в некоторых регионах (Западная, Восточная Сибирь, Забайкалье) 70−80% от общего объема передачи информации в сети ОП.
Очевидно, что электрические цифровые линейные тракты являются и, в будущем, будут являться существенной компонентой Единой сети электросвязи Российской Федерации. Поэтому данная диссертационная работа, посвященная исследованию и разработке способов и методов повышающих эффективность использования существующих электрических цифровых линейных трактов внутризоновых и местных первичных сетей ОП, представляется существенным вкладом в решение важной народно-хозяйственной задачи: создание современной мультисервисной сети ЕСЭ с возможностью эффективного вхождения в развивающееся Глобальное информационное общество (ГИО).
Цель и основные задачи исследования. Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и решению научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение — разработке способов и методов повышающих эффективность использования существующих электрических линейных трактов первичной сети ОП с целью развития современных мультисервисных сетей, предназначенных для удовлетворения потребностей населения, органов государственной власти и управления, обороны, безопасности, охраны правопорядка, а также хозяйствующих субъектов в услугах электросвязи. Устойчивая и качественная работа сети связи является важнейшим условием деятельности государства и общества.
Основной задачей диссертации, базирующейся на выполненных автором научных исследованиях, практическом обобщении имеющихся научных результатов и практического опыта, накопленного в процессе разработки отечественных ЦСП, является создание научных основ построения оптимальных электрических цифровых линейных трактов и практической методики их реализации, позволяющих достичь для существующих электрических ЦЛТ на местном и внутризоновом участках первичной сети параметров по дальности передачи сопоставимых с параметрами оптических ЦЛТ PDH, обеспечивая при этом минимальную стоимость оборудования ЦЛТ и минимальный объем работ по реконструкции.
С этой целью в диссертации: разработаны принципиально новые теоретические основы регенерации цифровых линейных сигналов, базирующиеся на доказанной автором теореме об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем, обосновывающей возможность асимптотической коррекциипредложен способ асимптотической коррекции и устройство для его реализации, позволяющие свести к минимуму межсимвольные и межсистемные влияния при передаче цифровых потоков по электрическим линейным трактам, обеспечивающий предельно достижимую длину регенерационных участковпроизведена оптимизация параметров асимптотической коррекции, позволяющая минимизировать величину межсимвольных помех, возникающих из-за неточности работы системы тактовой синхронизациипредложен способ подавления межсимвольных помех возникающих при регенерации с асимптотической коррекциейсинтезирован новый класс линейных кодов с дуобинарным кодированием и чередованием полярности импульсов (ДБК-ЧПИ-ш), позволяющих повысить пропускную способность существующих цифровых линейных трактовполучены аналитические выражения, базирующиеся на неравенстве Коши-Буняковского, для оценки точности верхней границы энергетических спектров цифровых линейных сигналовразработана методика расчета помехозащищенности в цифровых линейных трактах при совместном влиянии собственных помех и помех от линейных переходовразработана методика расчета предельно достижимых длин регенерационных участков для внутризоновых и местных сетей, показывающая значительный резерв в их возможном увеличении;
• разработана и внедрена в серийно выпускаемую аппаратуру ИКМ-7ТМ схема преобразователя кода ДБК-ЧПИ;
• разработана универсальная схема преобразователя кода для реализации алгоритма кодирования ДБК-ЧПИ-ш.
Методы исследования. В диссертационной работе использован математический аппарат функционального анализа, теории матриц, теории сигналов, теории вероятностей и вычислительной математики. В процессе исследований широко использовалось имитационное моделирование на ЭВМ и физический эксперимент на макетах оборудования и блоках системы передачи.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:
• доказана теорема об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем, устанавливающая связь между разрывами передаточной функции или ее производных с формой импульсной реакции на выходе линейной системы;
• решена задача оптимизации передаточной функции линейной системы, обеспечивающей максимальную концентрацию энергии импульсной реакции с эквидистантными нулями на заданной временном интервале;
• доказано утверждение о том, что в общем случае максимум концентрации энергии импульсной реакции с эквидистантными нулями на заданном временном интервале, обеспечивают передаточные функции линейных систем в виде вытянутых волновых сфероидальных функций;
• получено аналитическое выражение для энергетического спектра межсимвольных помех при передаче цифровых линейных сигналов по полосно-ограниченным линейным трактам;
• разработан и исследован алгоритм получения нового типа линейных сигналов ДБК-ЧПИ-ш и предложены способы его реализации;
• разработана универсальная методика «оценки сверху» распределения мощности энергетических спектров двух и трехуровневых цифровых линейных сигналов;
• разработана общая методика расчета помехозащищенности цифровых линейных трактах при совместном влиянии собственных помех и помех от линейных переходов.
Практическая ценность. Разработанный и исследованный в диссертационной работе принципиально новый способ регенерации двухи трехуровневых цифровых линейных сигналов с использованием асимптотической коррекции теоретически позволяет значительно увеличить длину регенерационного участка. При этом максимальная длина участка регенерации с использованием линейного сигнала ДБК-ЧПИ значительно больше, чем для линейных кодов с ЧПИ и ДБК и ограничивается электрической прочностью кабеля связи, составляя при этом десятки километров, что сопоставимо с длиной регенерационного участка оптических систем передачи и означает возможность организации электрических ЦЛТ без промежуточных регенераторов.
Разработанный и исследованный в диссертации новый класс цифровых линейных кодов ДБК-ЧПИ-ш позволяет значительно (более чем в два раза) увеличить пропускную способность электрических ЦЛТ по сравнению с традиционными линейными сигналами в виде ЧПИ и ДБК и общепринятым алгоритмам регенераШ ции. При одинаковой пропускной способности применение кода ДБК-ЧПИ-ш обеспечивает значительно большую длину участка регенерации по сравнению с кодами ЧПИ и ДБК, и сопоставимую (и даже превосходящую) с длинами регенерационных участков по технологии 2B1Q, САР и ТС-РАМ, при этом сложность оборудования формирования и регенерации линейных сигналов с кодом ф ДБК-ЧПИ существенно меньшая чем в вышеперечисленных технологиях.
Реализация результатов. Проведенные исследования являются составной частью ряда хоздоговорных и госбюджетных НИР по созданию высокоэффективных цифровых линейных трактов, выполняемых с 1980 по 2002 годы на кафедре многоканальной электросвязи и оптических систем и на кафедре радиотехнических систем связи НЭИС — СибГАТИ — СибГУТИ:
• «Исследование принципов построения цифрового линейного тракта на воздушных линиях связи». № ГР 1 870 092 834- инв. № 2 880 001 055- 2 890 034 475- 2 900 030 346, 1987;1989 гг. Заказчик ЛОНИИС, г. Санкт-Петербург. Научный руководитель — Попов Г. Н.
• «Разработка приемо-передатчика абонентской линии ЭАТС-ЦА». No. ГР 1 900 034 728, инв. № 2 910 017 159, 1988;1990 гг. Заказчик— ЦНИИС, г. Москва. Научных руководитель — Попов Г. Н.
• «Изыскание теоретических и инженерных решений по созданию аналоговых и аналого-цифровых устройств для повышения эфф фективности использования кабельных линейных трактов цифровых систем передачи», 1987—1989 гг. Заказчик — КБ «Кабель», г. Уфа. Научный руководитель — Попов Г. Н.
• «Исследование и разработка цифровых систем передачи для або-Ф нентских линий городских и сельских телефонных сетей», 1985—.
1986 гг. Заказчик — ЦКБ связи, г. Свердловск. Научный руководитель — Ситняковский И. В. Исполнитель — Попов Г. Н.
• «Исследование новых методик построения лабораторных узлов ЦСП и разработка их схемотехнических решений», 1990—1991 гг. Заказчик — НЭИС, г. Новосибирск. Научный руководитель —.
Попов Г. Н. а также краткосрочных НИР выполнявшихся по заказам ОАО «Электросвязь», г. Новосибирск (1996, 1999 гг.), ООО «Сибирские сотовые системы-900», г. Новосибирск (2000 г.), ОАО «Интертел-Сибирь», г. Новосибирск (2002 г.). В серийно выпускаемой аппаратуре ИКМ-7ТМ используется линейный код ДБК-ЧПИ, разработанный и исследованный автором в 80-е годы XX века. Результаты некоторых исследований используются в учебном процессе Межрегионального центра переподготовки специалистов СибГУТИ.
Использование результатов исследований и разработок подтвер-• ждено соответствующими актами.
Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, докладывались и обсуждались на:
• Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности сетей связи и их элементов» (Новосибирск, 1978 г.);
• Региональной НТК, посвященной Дню радио (Новосибирск, 1980 г.) — ф • Всесоюзной НТК «Проблемы развития цифровых систем передачи городских и сельской сетей связи на основе электрических волоконно-оптических кабелей» (Москва, 1987 г.);
• Межотраслевой НТК (Уфа, 1989 г.);
Международной НТК «Проблемы функционирования информационных сетей» (Новосибирск, 1991 г.);
Российской НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1994 г.);
Межрегиональной НТК «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи» (Москва—Новосибирск, 1995 г.) — Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1997 г.);
Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1998 г.);
Международном семинаре «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций» (Владивосток, 1998 г.) — Региональной НТК «Наука, техника, инновации» (Новосибирск, 2001 г.);
Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2002 г.);
Международном семинаре «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций (Санкт-Петербург, 2002 г.) — Международном форуме «Новые инфокоммуникационные технологии: достижения, проблемы, перспективы» (Новосибирск, 2003 г.);
Международных НТК «Siberian Russian Workshop on of Electron Devices and Materials — EDM-2002, EDM-2003» (Эрлагол, 2002, 2003 гг.);
Международной НТК «2003 Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications — MEMIA 2003» (Новосибирск, 2003 г.);
Ежегодных областных НТК, посвященных Дню радио (Новосибирск, 1980;2004 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ, из них:
14 учебников, учебных пособий и монографий (в том числе 8 в издательствах «Радио и связь» и «Горячая линия — Телеком», г. Москва);
22 статьи (в том числе 12 в центральных изданиях, международных сборниках и изданиях IEEE);
И авторских свидетельств, патентов, заявок и информационных листов на изобретения (в том числе б авторских свидетельств и патентов);
28 тезисов докладов (в том числе 17 на Международных, всесоюзных и региональных конференциях, семинарах и форумах).
Предыстория исследований. Среди основополагающих работ, относящихся к решению основной задачи теории и практики связи, заключающейся в повышении эффективности использования каналов и трактов систем передачи информации, следует отметить труды:
A.И. Величкина, М. Д. Бенедиктова, Л. А. Коробкова, Г. Г. Меньшикова, М. В. Назарова, В. А. Погрибного, Ю. Н. Прохорова, Б. Е. Трофимова — по развитию теоретических и прикладных вопросов кодирования речевого сигнала;
Ю.С. Лезина, Н. Т. Петровича, О. Н. Порохова, Л. М. Поляк, И. В. Ситняковского, В. О. Шварцмана, А. Г. Зюко, А. И. Фалько, В. П. Шувалова — в области теоретических основ и принципов построения кодеков каналов связи;
B.Н. Гордиенко, В. П. Кокошина, Р. Е. Кричевского, Б.Я. Ряб-ко, В. К. Трофимова, В. Г. Учера, В. А. Шура по разработке методов увеличения пропускной способности каналов и трактов за счет статистического сжатия информации;
В.Л. Банкета, Э. Б. Блоха, В. В. Гинзбурга, В. А. Зиновьева, В. В. Зяблова, В. И. Коршика, К. А. Мешковского, Э.А. Немиров-ского по разработке теории сигнально-кодовых конструкций;
В.А. Киселя, В. В. Лебедянцева, Д. Д. Кловского, С.А. Курици-на, В. К. Маригодова, П. Я. Нудельмана, В. В. Шахгильдяна, Я. З. Цыпкина по проблемам оптимизации сигналов и адаптивной коррекции при передаче сигналов по каналам и трактам;
Н.Г. Загоруйко, А. А. Пирогова, М. А. Сапожкова — по исследованию статистических характеристик речи;
Ю.А. Алексеева, А. Н. Голубева, В. П. Кокошкина, М. С. Левина, И. А. Лозового, A.M. Меккеля, Ю. А. Парфенова, М. У. Поляка, М. А. Плоткина в области практических разработок отечественных ЦСП.
Наряду с отечественными учеными большой вклад в развитие основной задачи по высокоэффективной передаче цифровой информации внесли публикации и работы таких видных зарубежных специалистов, как Дж. Беллами, Б. П. Латхи, Р. Стил, Д. Слепян, Дж. Спилкер, Л. Рабинер, Р. Крогер, К. Катлер и др.
Часть исследований и практических разработок выполнялась автором совместно с П. Я. Нудельманом, В. П. Шуваловым и с аспирантами: Е. Ю. Вагинской, Д. В. Кожевниковым, В. Д. Гармаевым и А. Ю. Гусевым.
Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:
• доказательство теоремы об асимптотическом поведении импульсных реакций полосно-ограниченных линейных систем;
• синтез и анализ регенератора с асимптотической коррекцией, определение основных характеристик его работыоптимизация параметров регенератора с асимптотической коррекциейуниверсальный алгоритм по подавлению межканальных помех и помех от линейных переходовсинтез линейных кодов ДБК-ЧПИ, повышающих пропускную способность существующих электрических цифровых линейных трактовсравнительный анализ спектральных характеристик существующих цифровых линейных сигналов и линейного сигнала ДБК-ЧПИуниверсальная методика расчета помехозащищенности электрических цифровых линейных трактовсинтез и анализ преобразователей линейного кода ДБК-ЧПИ, обеспечивающего высокую пропускную способность электрических цифровых линейных трактов.
Выводы по главе 1.
1. Линейные коды и сигналы, используемые в настоящее время для передачи двоичных цифровых потоков по электрическим цифровым трактам, не позволяют достаточно эффективно использовать существующие кабельные линии передачи внутризонового и местного участка первичной сети, в частности, не обеспечивается максимальная длина регенерационного участка при минимальном объеме и стоимости оконечного оборудования аппаратуры ЦСП.
2. Регенерация цифровых линейных сигналов осуществляется с использованием аналоговых способов обработки и восстановления сигналов, весьма далеких от оптимальных, что приводит к неоправданно значительным потерям помехозащищенности в регенераторах (от 4 до 12 дБ) и к существенному уменьшению длины регенерационного участка.
3. Существующие методики расчетов длин регенерационных участков не учитывают характера совместного влияния собственных помех и помех от линейных переходов на помехозащищенность при передаче линейных сигналов по ЦЛТ с использованием электрического симметричного кабеля.
В последующих главах рассматриваются способы и методы решения указанных проблем.
