Введение к работе
Диссертация посвящена разработке теоретических основ и методов моделирования последовательной передачи дискретных сообщений по тнсперсионным каналам связи в солитонном и близких к нему нелинейных эежимах, обеспечивающих компенсацшо временного рассеяния импульсных :игналов за счет нелинейного самовоздействия волновых пакетов.
Актуальпость темы. Технический професс и развитие общества всегда 5ыли связаны с увеличением объемов хранимой, обрабатываемой и передаваемой іа расстояние информации. В современных условиях требования к средствам телекоммуникаций растут особенно быстро. Задача увеличения объемов предаваемой информации решается различными методами: путем сооружения товых линий связи, разработки и введения в строй новых типов физических линий : более высокой пропускной способностью, а также за счет более эффективного «пользования имеющихся линий и каналов связи путем совершенствования іетодов передачи сообщений и их распределения в узлах коммутации.
Возможности первого путл имеют очевидные ограничения как ехшпеского, так и экономического характера. Кроме того, известно, что при фганизации на одной физической линии многих каналов стоимость канало-ззлометра тем меньше, чем выше ее информационная пропускная способность. Тоэтому на протяжешш всего развитая техники связи велись поиски и разработки ювьгх видов линий связи со все более высокой пропускной способностью. В общем лучае она зависит не только от свойств используемой в нем физической линии среды передачи) и действующих в ней помех, но и от характеристик несущих шформащпо реальных сигналов и режимов их распространения в среде.
С давних пор для передачи информации на расстояние используются олновые процессы: звуковые колебания, световые сигналы, а с появлением и іазвитием техники электрической связи - в основном электромагнитные волны іазличньгх частот, от сверхнизких до оптических. До последнего времени эти гроцессы рассматривались как колебания в линейных средах, а нелинейность [ринималась во внимание лишь как нежелательный фактор, ухудшающий качество іередачи. В то же время уже давно известно, что многие важные для техники связи [реобразования сигналов - модуляция, детектирование, преобразование частоты [ т.п. неосуществимы в линейных системах с постоянными параметрами и требуют спользования нелинейных или параметрических элементов. В последние есятилетия стало ясно, что и в каналах связи линейные режимы далеко не всегда аиболее благоприятны для передачи сообщений.
Согласно теории информации пропускная способность непрерывного анала определяется двумя (в общем случае взаимосвязанными) основными (акторами: возможностью различения близких значений сигнала, зависящей от ействующих в канале помех, и максимальной частотой, с какой могут следовать го статистически независимые отсчеты. Последний фактор в линейном канале
зависит от его полосы пропускания, определяемой по частотным характеристика* В частности, при передаче дискретных сообщений (ПДС) последовательным методами (наиболее типичной для современных систем связи, где, как правилі все виды сообщений передаются в цифровой форме) с увеличением скорост модуляции спектр сигнала расширяется и выходит за пределы полосы частот, которой характеристики канала достаточно близки к идеальным (амплитудш частотная характеристика (АЧХ) канала близка к равномерной, а фазочастотні характеристика (ФЧХ) - к линейной), что приводит к временному рассеяни (дисперсионному расширению) элементов сигнала, представляющих символ сообщения, и их взаимному наложению - межсимвольной интерференции (МСИ С ростом МСИ усложняется прием сообщений и ухудшается еі помехоустойчивость, что в конечном счете и ограничивает достижимую скорое передачи информации.
Поэтому задача увеличения объемов передаваемой информации по ищ развития техники связи решалась, как правило, путем организации каналов со ві более широкой полосой пропускания, что требовало использования все болі высоких частот, вплоть до оптического диапазона, освоенного в последні десятилетия. Современные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) обладаь наиболее высокой пропускной способностью по сравнению с другими видан каналов, однако потенциальные возможности оптического диапазона частот по используются в них лишь в незначительной степени. Это обусловлено болыш различием полос пропускания по АЧХ и ФЧХ у этого вида каналов: по свойст прозрачности, т.е. по АЧХ, современное оптическое волокно из кварца способ, пропускать очень широкую полосу частот - порядка 10 ГГц, в то время, как го-дисперсии, проявляющейся в нелинейности ФЧХ, используемая ныне полоса част ограничивается значениями порядка 10 ГГц. Поэтому при разработке нові высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) главн внимание уделяется уменьшению дисперсии. Эта цель может быть достигну разными методами, в том числе путем специального подбора параметров источни излучения и волокна, обеспечивающего частичную взаимную компенсацию разы видов дисперсии.
Однако особое внимание в последние годы привлекает принципналь иной и более универсальный путь уменьшения дисперсии, в основе которого леж переход от обычных линейных режимов передачи импульсных сигналов к новь нелинейным, при которых достигается компенсация дисперсионного расширен импульсов сжатием за счет самомодуляции. При полной компенсации формируют импульсы стабильной длительности и формы - солитоны. Соответственнс системы связи, в которых предполагается использовать такие режимы, получи название солитонных. По предварительным оценкам, этот метод позвол существенно увеличить длину регенерационных участков и на 1 -2 порядка повьісі скорости передачи цифровых сигналов по ВОЛС, а в перспективе - перейти к
эростям терабптного диапазона. Активные исследования в этом направлении гутся в нашей стране и за рубежом.
Хотя практические разработки ведутся пока лишь для одного типа таких линейных систем передачи - солитонных ВОСП, использование нелинейных лновых процессов (НВП) вместо обычных линейных волн в качестве реносчиков информации в принципе открывает возможности более фективного использования и других видов физических сред передачи, зогочисленные исследования последних лет показывают, что НВП весьма огообразны, могут возникать, в том числе с образованием солитонов, в самых шинных средах н имеют при этом много общих черт. Главной из них является что нелинейность играет в развитии таких процессов существенную роль и ее їствие не сводится к малым возмущениям параметров передачи. Это позволяет юрить о появлении нового класса каналов связи - нелинейных дисперсионных залов (НДК). Между тем, математический аппарат современной теории связи нентировая в первую очередь на описание каналов связи как линейных систем, іспользованием таких понятий, как частотные и импульсные характеристики, эедаточные функции и т.п. Для НДК все эти понятия теряют смысл; не применим им и пршщип суперпозиции, на котором основываются многие важные выводы >рин связи. Поэтому для решения задач анализа и расчета характеристик систем редачи дискретных сообщений по таким каналам, синтеза оптимальных иемных устройств и других подобных задач необходимы пршщгашально иные гематические методы и модели. Задача их разработки является весьма актуальной.
Необходимую теоретическую базу для разработки таких методов и моделей ют фундаментальные результаты в области нелинейной физики, теории линейных эволюционных уравнений, теории солитонов и стохастических тебаний в нелинейных системах, полученные в работах Л.Д. Фаддеева, \. Тахтаджяна, В.П. Маслова, А.В. Шабата, В.Е. Захарова, СП. Новикова, П. Питаевского, В.А. Марченко, Б.Б. Кадомцева, В.И.Карпмана, V. Островского, Р.З. Сагдеева, Г.М. Заславского, B.C. Анищенко, А.Н. Малахова р., за рубежом - П. Лакса, Дж. Уизема, групп К.Гарднера, Дж. Грина, М. Крускала '. Миури, Ф. Калоджеро и А. Дегаспериса, М. Абловица и X. Сигура, а также огих других.
Ряд фундаментальных теоретических результатов, подтвержденных :периментами и касающихся физики нелинейных волновых процессов в покойных световодах и некоторых других средах, получен в работах vl. Прохорова, Е.М. Дианова и его группы, И.Н. Сисакяна, А.Б. Шварцбурга, ^.Ахманова, А.П.Сухорукова, В.А.Выслоуха, А.С.Чиркина, В.П.Кандидова и их рудников, за рубежом - А. Хасэгавы, Ф. Тапперта, Ю. Кодами, Л.Ф. Молленауэра, і. Хауса, Г. Агравала, Д. Андерсона, Р. Балакришнана, Е. Шиоджири и других, жные исследования в области радиофизики и ее приложений, касающихся шнейных и модуляционных процессов в волноводах, выполнены в работах В.Гуляева, Е.И.Нефедова, В.А. Неганова, А.Г. Глушенко и др.
В работах А.Г. Шереметьева, И.И. Гроднева, А.Г. Мурадяна, С.Л.Галки М.М. Бутусова и др., в многочисленных зарубежных публикациях заложены оснс теории и практических методов анализа систем оптической связи. Наряд; перспективными видами линейных ВОСП (с использованием волокон смещенной дисперсией, со спектральным разделением каналов, с использован» оптических усилителей) в последние годы все более активно и уже в практичесі плане ведется разработка солитонных ВОСП и необходимой для них элемент! базы. Кроме уже упомянутых работ Е.М. Дианова и его сотрудников, о результат в этом направлении сообщается в работах В.Ю. Петрунькина, А.СЩербако Г.И. Гордона, Е.А. Заркевича, П.А. Мшпнаевского, П.В. Мамышева и др., а та* Л.Ф. Молленауэра, А. Хасэгавы, М. Судзуки и большой группы других зарубежн специалистов.
Последние десятилетия отмечены также многочисленными научны результатами в области статистической теории связи, касающимися адаптивн методов передачи дискретных сообщений по каналам со сложными видами пол и временным рассеянием, новых моделей и методов обработки сигнал полученными в работах Р.Л. Стратоновича, Т. Кайлата, К. Хелстрома, Г. Ван Три Б.Р. Левина, В.И. Тихонова, Ю.Г. Сосулина, М.С. Ярлыкова, СЕ. Фалькови Л.М. Финка, А.И. Овсеевича, В.В. Шахгильдяна, Д.Д. Кловского, Ю.С. Шинако А.П. Трифонова, В.Г. Репина, Г.П. Тартаковского, В.И. Коржика, В.А. Сойфе К.К. Васильева, И.А. Цикина, Б.И. Николаева, В.А. Казакова, В.Я.Конторовп А.И.Фалько и других.
Интерес к исследованиям в области НВП, солитонов и солитонных сист передачи совпал по времени с периодом особенно быстрого развития среді вычислительной техники, обеспечившим необходимую техническую базу і качество новых, более эффективных методов математического моделироваї систем передачи и обработки информации.
Быстро развиваются также методы оптической обработки информац компьютерного анализа и синтеза оптических систем. Под руководств И.Н. Сисакяна и В.А. Сойфера создано новое научное направление в этой облаї - компьютерная оптика. В работа Л.П. Ярославского, Н.М. Мерзляко А.П. Сухорукова и их сотрудников, в многочисленных зарубежных публикащ интенсивно разрабатываются методы цифровой голографии, обработки двумерн оптических сигналов и изображений, моделирования линейных и нелинейн оптических систем.
Таким образом, к настоящему времени назрела практичесі необходимость и созданы как теоретические, так и практические предпосылки j развития методов математического описания, моделирования и анализа нов< класса систем передачи дискретных сообщений, в которых в качестве носите) информации используются нелинейные волновые процессы.
Цели в задачи исследования. Целью диссертации является разрабо теоретических основ, методов математического описания и моделироваї
эедачи дискретіп>іх сообщений по новому виду каналов связи, в которых в іестве носителей информации используются НВП в режимах, близких к штанному, направленная на создание необходимой базы для анализа, расчета и эектирования нового перспекптного класса эффективных высокоскоростных ;тем связи.
Достижение этой цели потребовало решения следующих задач: анализа основных видов НВП в диспергирующих средах и возможностей их использования для передачи информации;
разработки и исследования математических моделей нелинейных дисперсионных каналов связи (НДК);
разработки и исследования стохастических моделей НВП в нелинейных дисперсионных каналах связи (НДК);
разработки статистических методов идентификации моделей НДК по наблюдениям реальных сигналов;
синтеза оптимальных и субоптималышх алгоритмов обнаружения и различения флуктуирующих сигналов в системах ПДС по НДК;
разработки методов н алгоритмов компьютерного моделирования систем ПДС с применением НВП;
исследования процессов ПДС по НДК на основе разработанных методов их анализа и моделирования в зависимости от параметров сигналов, канала и выбранного алгоритма приема с целью выявления условий оптимизации характеристик передачи;
оценки потенциальных и реальных характеристик систем ПДС с использованием НВП.
Методы исследования. Нелинейные волновые процессы, используемые і передачи информации по каналам связи, обладают рядом качественно новых >йств по сравнению с процессами в линейных каналах, поэтому для их ледования и оценки характеристик систем передачи сообщений с применением П необходимы новые методы, существенно отличающиеся от тех, что [меняются ныне в теории связи. Одним из основных отличий является нарушение гаципа суперпозиции, вследствие чего к таким каналам не применимы шычные инженеру понятия передаточных функций, частотных и импульсных іактеристик, а тем самым и многочисленные, основанные на этих понятиях естные методы анализа и моделирования. Для таких каналов, в отличие от [ейных, как правило, вообще не существует прямых аналитических выражений добных интегралу Дюамеля), связывающих входной и выходной сигналы.
Поэтому в данной работе использованы иные методы исследования, орые базируются в первую очередь на теории нелинейных эволюционных внений и нелинейной физике, получивших развитие сравнительно недавно, и занных с ними некоторых методах квантовой механики. Вследствие флуктуации
сигналов и шумов, характерных для реальных каналов связи, НВП в них, правило, необходимо рассматривать как случайные процессы, что треб привлечения соответствующих статистических методов, включая некоторые мете статистической механики и статистической оптики. Решение задач обнаружена различения флуктуируюших сигналов в Н ДК и идентификации их моделей треб привлечения методов статистической теории связи.
Большинство задач, связанных с математическим описанием процес передачи дискретных сообщений с применением НВП по реальным каналам ев с рассеянием, в особенности в условиях действия случайных факторов, не им аналитических решений. Поэтому основу для исследования таких процессе каналов, позволяющую получить конкретные практические результаты, составш в первую очередь приближенные и численные методы с широким нспользоваш моделирования на ЭВМ.
Научная новизна работы проявляется в том, что в ней впервые
выделен и систематически исследуется с точки зрения задач ПДС новый кл каналов связи с рассеянием - нелинейные дисперсионные каналы (НДК, которых носителями информации являются НВП;
разработаны математические модели НДК, ориентированные на задачи техіп связи, и ряд о снованных на них приближенных методов расчета преобразоваї сигналов в таких каналах (в частности, с использованием параметричесі автомодельных представлений) с достаточной для практических це; точностью;
разработаны стохастические модели НВП в НДК и методы расч< преобразований вероятностных характеристик случайных сигналов в таї каналах, ориентированные (в отличие от известных моделей НЕ рассматриваемых в нелинейной физике) на решение задач синтеза оптимальи и субоптимальных алгоритмов приема, а также анализа характеристик перед; дискретных сообщений по таким каналам с учетом действия помех, флуктуаі элементов сигнала и их взаимодействия в составе пакета сообщения;
разработаны методы идентификации моделей НДК по наблюдениям реальн сигналов;
синтезированы оптимальные и субоптимальные алгоритмы обнаружение различения флуктуирующих сигналов в системах ПДС по НДК и исследов; их качество;
на основе результатов теоретического анализа и компьютерного моделироваї установлены зависимости основных характеристик ПДС по таким канала средней вероятности ошибки, скорости и дальности - от параметров волоки сигналов с учетом действия помех, флуктуации элементов сигнала и взаимодействия в составе пакета сообщения, а также возможносі использования различных оптимальных и субоптимальных алгоритмов прие:
предложены и исследованы новые методы селекщш импульсных сигналов и подавления импульсных помех, базирующиеся на результатах теоретического анализа и моделирования НВП и обеспечивающие существенное повышение помехоустойчивости систем ПДС по каналам со сложными видами помех.
Практическая ценпость и реализация результатов работы. С
пользованием разработанных моделей, методов анализа ПДС в НДК и алгоующих их компьютерных программ получены оценки реально достижимых современной элементной базе и потенциальных характеристик сокоскоростных солитонных волоконно-оптических систем передачи и выявлены нболее перспективные пути их дальнейшего развития. На их основе разработана тодика расчета и проектирования солитонных ВОСП с применением ЭВМ. Кроме го, они дают возможность оценивать и ограничивать на допустимом уровне ияние на передачу сообщений и таких нелинейных явлений, которые могут удшать характеристики передачи.
Предложены пути применения методов передачи импульсных сигналов в жимах, подобных солитошшм, при которых достигается частичная компенсация сперсии, для повышения скоростей передачи и по обычным проводным линиям язя.
Результаты исследования моделей и характеристик НВП позволили ^работать ряд практическігх алгоритмов обработки сигналов в каналах связи, еспечивающих значительно более эффективное подавление импульсных и которых друпгх негауссовских помех в каналах связи и за счет этого повышение мехоустойчивости передачи дискретных и непрерывных сообщений.
Значительная часть результатов диссертации получена в процессе тюлнения хоздоговорных НИР по заказам Института общей физики АН СССР 984-1985 гг.), Центрального конструкторского бюро уникального иборостроения НТО АН СССР (1986), по которым диссертант являлся ветственным исполнителем, договоров о творческом сотрудничестве с азанными организациями (1987-1990 гг.). Разработанные программы и лученные на их основе результаты использованы в указанных организациях при здании новых высокоскоростных оптических устройств передачи и обработки формации. В 1994-1997 гг. по заданию Министерства связи Российской :дерации, а затем Государственного комитета Российской Федерации по связи и форматизации в рамках программы фундаментальных и прикладных следований вузов связи РФ "Исследование новых информационных и сурсосберегающих технологий" под руководством и при непосредственном астии диссертанта были выполнены НИР по исследованию методов повьппения фективности использования волоконно-оптических каналов с применением линейных солитонных режимов передачи и разработке новых методов давления импульсных помех в каналах связи с применением НВП. Результаты реданы заказчикам для практического использования.
Сформулированные в диссертации выводы и рекомендации принят Самарской оптической кабельной компанией для использования в целях оцен. практических условий повышения скоростей передачи в ВОСП с применение некоторых новых видов оптических волокон до 20-80 Гбит/с, выбора типов волоке наиболее перспективных с точки зрения последующей модернизации ВОСП, также расчетов влияния нелинейных эффектов на передачу.
Результаты работы нашли применение также в учебном процессе Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатш (ПГАТИ), в частности, использованы в 1982-1997 гг. в курсах лекций по теорі нелинейных электрических цепей, теории передачи сигналов, теории электричесю связи, факультативных курсах по оптимальной обработке сигналов и ВОСП, лабораторных работах, а также при дипломном проектировании. Под руководстве автора подготовлена к защите кандидатская диссертация.
Вклад автора в разработку проблемы. Все основные научные положени выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертации, а така значительная часть программных средств разработаны соискателем личн остальные программные средства - под его руководством и при непосредствеинс участии. Из материалов работ, опубликованных в соавторстве, в диссертаци включена только та их часть, которая получена лично соискателем.
Апробация работы. Основные теоретические положения, научные практические результаты работы докладывались и обсуждались на V и \ Международных симпозиумах по теории информации (Тбилиси, 1979 г., Ташкен 1984 г.), II и III Международных конференциях по волоконной оптике (Санк Петербург, 1992, 1993 гг.), Международной конференции и юбилейной научне сессии РНТО РЭС им. А.С.Попова "100-летие начала использоваш электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехник! (Москва, 1995 г.), VIII Всесоюзной конференции по теории кодирования м передач информации (Куйбышев, 1981 г.), Всесоюзной конференции "Современнь: проблемы физики и ее приложений" (Звенигород, 1987 г.), на ежегодных научны сессиях НТО РЭС им.А.С.Попова (Москва, 1978-1996 гг.) и выездных научны семинарах секции теории информации этого общества (Новгород, 1981 г.,Вороне* 1983 г., Туапсе, 1985 г., Ленинград, 1987 г., Ульяновск, 1989 г.), Всесоюзно совещании и совещании ученых стран СНГ "Компьютерная оптика" (Тольягп 1990 г.; Самара, 1993 г.), 1-ой Поволжской научно-технической конференции п проблемам двойного применения (Самара, 1994 г.), Международной республиканской научно-методических конференциях по проблема совершенствования учебного процесса (Минск, 1992 г,; Самара, 1992 г.), а так» ежегодных научно-технических конференциях Поволжской государственно академии телекоммуникацмй и информатики (ПГАТИ), научных семинарах кафедрі теоретических основ радиотехники и связи ПГАТИ и кафедры техническо кибернетики Самарского государственного аэрокосмического университета.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты иссертации: математические модели нелинейных дисперсионных каналов связи, позволяющие оценивать характеристики передачи дискретных сообщеїшй в солитогаюм и близких к нему нелинейных режимах с учетом действия помех, нерегулярностей среды передачи, флуктуации элементов сигнала и их взаимо действия в составе пакета сообщения;
приближенные методы исследования нелинейных волновых процессов в каналах связи, ориентированные на задачи их моделирования на ЭВМ, в частности, обобщение метода автомодельных приближений применительно к многомодовым режимам передачи и стохастическим входным воздействиям, характерным для реальных каналов;
методы анализа эволющш вероятностных характеристик случайных волновых процессов в нелинейных дисперсионных каналах связи; методы идентификации моделей нелинейных дисперсионных каналов связи по наблюдениям реальных сигналов;
синтезированные оптимальные и субоптимальные алгоритмы обнаружения и различения флуктуирующих сигналов в НДК и методы исследоваши их качества; методы анализа и моделирования процессов передачи дискретных сообщений по каналам связи с рассеянием с применением НВП;
выявленные в результате проведенного исследования зависимости характеристик передачи дискретных сообщений с применением НВП от параметров сигналов, канала и выбора алгоритма приема; практические рекомендации по повышению эффективности использования волоконно-оптических каналов на основе применения НВП, полученные оценки потенциальных и реальных характеристик солитонных волоконно-оптических систем передачи, методы их расчета и проектирования; новые методы селекции импульсных сигналов и подавления импульсных помех в системах передачи дискретных сообщений, базирующиеся на результатах анализа и моделирования НВП.
Публикации. Основные научные и практические результаты, (ставляющие содержание диссертащш, опубликованы в 54 печатных работах, слючая 1 монографию и 30 статей в отечественных и зарубежных изданиях. Кроме іго, по теме диссертации зарегистрировано 10 изобретений.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 7 шовных разделов, заключение, список литературы из 320 наименований и 6 шложений. Основная часть работы содержит 278 стр. текста (без списка ггературы) и 48 рисунков. Общий объем с приложениями составляет 390 стр.
