Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ II ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ОТКРЫТЫМ ОПТИЧЕСКИМ КАНАЛАМ
1Л Развитие телекоммуникационных систем передачи информации последней мили в России и за рубежом 15
1.2 Анализ существующих и перспективных АОТС 20
1.3 Анализ влияния погодных условий на функционирование телекоммуникационных систем в оптическом диапазоне 29
1.4 Влияние турбулентности на функционирование АОТС 36
L5 Математическая постановка научной задачи и основные направления ее решения 44
1.6 Выводы 48
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ (АОТС)
2.1 Методы и алгоритмы функционирования адаптивных оптических систем (АОС) фазового сопряжения и принципы адаптивной компенсации в оптическом канале 51
2.2 Анализ физических и статистических свойств оптических полей 58
2.3 Измерение параметров фазового фронта б 1
2.4 Методика минимизации числа каналов управления для АОТС 69
2.5 Метод и алгоритм функционирования малопараметрического 75 датчика фазового фронта в АОТС
2.6 Метод и алгоритм концентрической кусочно-линейной аппроксимации в задаче синтеза фазового фронта SO
2.7 Метод оценивания на основе аппарата сглаживающих В-сплайнов 83
Алгоритмы субоптимального оценивания на основе сплайн-аппроксимации 87
Выводы 89
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Оценка шумовых ошибок малопараметрических АОС фазового сопряжения 92
Оценка потенциальной точности синтезированного алгоритма сплайн-аппроксимации 93
Анализ алгоритма концентрической кусочно-линейной аппроксимации в датчике фазового фронта малопараметрической АОТС 96
Оценка вычислительной эффективности разработанных алгоритмов 104
Выводы 109
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И НАУЧНО ОБОСНОВАННЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОЙ ЕАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ
Численное исследование методики минимизации числа каналов управления АОТС 111
Алгоритм функционирования малопараметрического датчика фазового фронта в составе АОТС 114
Реализация разработанных алгоритмов и функциональных схем на базе аналоговых функциональных узлов ІР-модулсй 116
Практические рекомендации по применению синтезированных алгоритмов в АОТС 121
Выводы 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130
Приложение 1 Модель тангенциального датчика фазового фронта 148
Приложение 2 Алгоритм концентрической кусочно-линейной аппроксимации 152
Приложение 3 Исследование алгоритма оптимального оценивания. 155
Приложение 4 Исследование метода Парзена-Надарая и метода сплайн-аппроксимации плотности 159
Приложение 5 Исследование ортогональности полиномов Цернике 164
Приложение 6 Методика минимизации числа полиномов Цернике. 169
Введение к работе
Развитие телекоммуникационных систем нового поколения основано на использовании широкополосных и сверхширокополосных сигналов с большой информационной емкостью. В системах связи широкая полоса частот несущих сигналов позволяет как увеличить скорость передачи информации, так и повысить устойчивость работы систем при наличии возмущающих факторов.
Задача создания систем со скоростью передачи информации более 1 Гбит/с решается путем перехода в оптический диапазон волн. Помимо возможности существенного увеличения скорости передачи, оптическая связь позволяет повысить помехозащищенность передаваемых сообщений, снизить габариты приемопередающих устройств при сохранении больших коэффициентов усиления антенн и снизить чувствительность к влиянию ионизации атмосферы.
С целью устранения ограничений на ширину полосы широкое применение для внутригородской и междугородней связи находят открытые наземные оптические линии связи (ОЛС). Примером этому служит функционирующая в Москве с шестидесятых годов оптическая связь между несколькими почтамтами. В ФРГ создана ОЛС между двумя заводами фирмы Siemens в Мюнхене. Усилиями специалистов фирмы NEC (Япония) разработана и установлена двусторонняя ОЛС между городами Иокогамой и Тамагавой. Много внимания уделяется разработке ОЛС и другими фирмами России, Японии, Германии, США и т.д.
Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применяемую в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи, передающих не только телефонные, но и телевизионные и компьютерные сигналы. Оптические системы связи делятся на открытые, где сигнал передается в атмосфере или космосе, и закрытые, то есть использующие световоды. В настоящей работе рассматриваются только открытые атмосферные линии связи.
Оптическая атмосферная система связи между двумя пунктами состоит из двух спаренных приемопередающих устройств, расположенных в пределах прямой видимости на обоих концах линии и направленных друг на друга, В передатчике находится генератор-лазер и модулятор его оптического излучения передаваемым сигналом. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической системой и направляется в сторону приемника. В приемнике излучение фокусируется на фотоприемник, где производится его детектирование и выделение передаваемой информации.
Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха.
Потенциальные возможности оптических систем, обусловленные, прежде всего, высокой пропускной способностью, в значительной степени ограничиваются условиями распространения световых волн в реальных материальных средах,
К числу возмущающих факторов относятся облачные, аэрозольные и турбулентные поля, вызванные как естественным, так и искусственным путем [14-16, 38, 55, 76, 77, 78]. Вышеперечисленные факторы существенно влияют на тактико-технические характеристики широкого класса ОЛС и не позволяют достичь потенциально-достижимой дифракционной разрешающей способности, что является важным фактором при минимизации мощности оптического передатчика. Кроме того, наличие нестационарных возмущений оптической волны, вызванных турбулентными образованиями атмосферы, в настоящее время не позволяют проводить передачу информации с потенциально достижимой скоростью. Искусственные и естественные возмущающие поля атмосферы значительно ослабляют оптический сигнал и вызывают его искажения на неоднородностях показателя преломления и других рассеивателях, к числу которых относятся облачные, аэрозольные и турбулентные поля, вызванные как естественным, так и искусственным путем.
Энергетическое ослабление обусловлено с одной стороны поглощением оптического излучения атмосферными газами, а с другой молекулярным и аэрозольным рассеиванием. Флуктуации фазы и амплитуды оптической волны, вызванные турбулентными вихрями воздуха, нарушают пространственную когерентность, приводя к уширению и блужданию лазерного пучка, пространственно временной модуляции принимаемого сигнала. Влияние аддитивных помех рассеяния можно компенсировать использованием методов нелинейной фильтрации. Влияние энергетического ослабления возможно компенсировать правильным выбором энергетики оптического канала.
Вопросам обработки оптических полей, возмущенных турбулентной атмосферой, посвящено достаточно большое число работ, перечень которых имеется в списке литературы. Большой вклад в теорию построения и оптимизации адаптивных оптических систем внесли видные российские и зарубежные ученые: Корниенко А. А,, Лукин В .П., Бакут П. А., Воронцов М,А., Шмальгаузен В.И., Румянцев К.Е., Устинов Н.Д., Минаев И.В-, Фрид Дж., Харди Дж,
Наиболее сложным является процесс компенсации вредного влияния турбулентности. Одним из наиболее эффективных (иногда в сочетании с другими) способов ослабления возмущающего действия атмосферы является применение адаптивных методов и систем. Идеи, положенные в основу создания адаптивных систем, предложены сравнительно недавно [4, 7,10,30,48,49].
Сущность адаптивных методов компенсации вредного влияния турбулентности среды распространения заключается в автоматической коррекции амплитуды и фазы волны в плоскости передающей или приемной апертуры на основании информации об искажениях при оптимизации критериев качества функционирования оптических систем [54, 55, 56].
При этом процесс адаптации к искажениям волнового фронта в адаптивной оптической системе сводится к получению информации об искажениях, формированию управляющих воздействий на основе выбранных критериев и методов адаптации и коррекции фазового фронта. Адаптивная оптическая система фазовой компенсации в общем случае представляет собой систему автоматического управления с замкнутым многоканальным контуром. Основными элементами такой системы являются: анализатор или датчик фазовых искажений, устройство обработки, в состав которого, как правило, входит цифровая или аналоговая ЭВМ и корректор волнового фронта, состоящий из управляемых оптических элементов [51-55,65, 66, 67, 72, 75].
Известные алгоритмы функционирования адаптивных оптических систем позволяют решить задачу компенсации вредного влияния турбулентности. Однако получаемые при этом технические решения достаточно сложны. Это связано с тем, что существующие адаптивные оптические системы представляют собой по существу многоканальные системы автоматического управления. При этом показатели качества таких систем в общем случае нелинейно зависят от числа каналов управления и улучшаются с их увеличением- Однако технически реализация каждого канала управления представляет собой достаточно сложную задачу.
Это связано с особенностями построения существующих датчиков фазового фронта и гибких адаптивных зеркал [68, 69, 89, 90, 91, 93, 94], С экономической точки зрения для того, чтобы адаптивные оптические системы передачи информации последней мили обеспечивали повышенную дальность действия при минимуме аппаратурных затрат, число каналов необходимо ограничить при обеспечении заданного значения критерия качества, В дальнейшем такие системы мы будем называть мало параметр и чески ми адаптивными телекоммуникационными системами.
Таким образом, задача разработки научно-методического аппарата обработки оптических полей при минимизации числа каналов управления в малопараметрических адаптивных оптических телекоммуникационных системах, позволяющих повысить дальность действия, в настоящее время не решена и является актуальной.
Цель работы: повышение дальности действия перспективных адаптивных оптических телекоммуникационных систем, функционирующих в турбулентной атмосфере.
Актуальная научная задача решению которой посвящена диссертация, - разработка научно-методического аппарата и алгоритмов обработки оптических полей при минимизации числа каналов управления в малопараметрических адаптивных оптических телекоммуникационных системах, позволяющих повысить дальность действия.
Решение сформулированной выше научной задачи обуславливает необходимость постановки и решения следующих частных задач:
- провести анализ задачи обработки оптических полей с целью повышения дальности действия АОТС и выбора путей достижения поставленной цели; сформулировать критерий, максимизируемый адаптивной мало параметрической оптической системой;
- разработать методику минимизации числа каналов управления для адаптивных оптических телекоммуникационных систем;
- синтезировать специализированные методы и алгоритмы восстановления фазового фронта, возмущенного турбулентной атмосферой;
- синтезировать методы и алгоритмы субоптимальной оценки параметров оптического излучения для малопараметрических систем по одному из основных критериев оптимальности на основе выборки ограниченного объема для датчиков фазового фронта, функционирующих на фоне шумов регистрации;
- провести анализ эффективности и точностных характеристик синтезированных методов и алгоритмов в сравнении с известными;
- разработать практические рекомендации по использованию синтезированных методик, методов и алгоритмов, а также создать пакет прикладных программ, позволяющих исследовать и моделировать процессы, протекающие в адаптивных телекоммуникационных системах при создании перспективных АОТС.
Объект исследования: перспективные адаптивные оптические телекоммуникационные системы, функционирующие в условиях турбулентной атмосферы.
Предмет исследования: методы и алгоритмы оптимальной и квазиоптимальной обработки сигналов в адаптивных оптических телекоммуникационных системах в условиях турбулентной атмосферы.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов математической статистики, теории вероятностей, теории оптимального приема оптических сигналов, а также методов сплайн-аппроксимации. Экспериментальная часть работы основана на численных методах машинного моделирования и вычислительного эксперимента с использованием языков высокого уровня программирования.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, основанным на использовании строгого математического аппарата, применением многократно проверенных математических моделей системы, практически полным совпадением теоретических результатов с результатами статистического моделирования и экспертизами, проведенными при получении свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ, широким обсуждением результатов на НТК, положительными отзывами рецензентов на опубликованные работы и принятыми к рассмотрению заявками на получение патентов РФ.
Рамки исследований ограничены вопросами синтеза оптимальных и квазиоптимальных методов и алгоритмов обработки сигналов в каналах датчика волнового фронта в условиях априорной неопределенности, а также разработки методов и алгоритмов минимизации числа каналов управления.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и шести приложений. Общий объем диссертации 176 страниц, включая 24 иллюстрации, 8 таблиц, список литературы из 213 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы, определены объект, предмет и цель исследований, основные научные результаты и положения, выносимые на защиту, практическая значимость работы.
Первая глава диссертации посвящен анализу современного состояния исследуемой предметной области и определению основных направлений решения поставленной в общем виде научной задачи. В конце главы приводится математическая постановка научной задачи. Результаты первой главы опубликованы в [23,24].
Во второй главе разработана и исследована на примере пьезоэлектрического зеркала [1] методика минимизации числа полиномов Цернике, используемых при описании его профиля с учетом геометрических характеристик функций отклика и вклада каждого из полиномов в итоговую ошибку аппроксимации фазового фронта в соответствии со статистикой фазовых флуктуации.
Разработан метод и синтезирован алгоритм восстановления фазового фронта для предложенного тангенциального датчика гартмановского типа, позволяющий при уменьшенном количестве фотоприемников и числа каналов управления с использованием базиса Цернике использовать его в мал о параметрических системах фазового сопряжения для компенсации нестационарных искажений оптического излучения, вызванных его распространением в турбулентной атмосфере.
Усовершенствован метод и синтезирован алгоритм концентрической кусочно-линейной аппроксимации фазового фронта, позволяющий существенно сократить объём вычислительных операций.
На базе математического аппарата сглаживающих нормализованных В-сплайнов разработан метод и синтезированы алгоритмы оптимального оценивания фазового фронта. При отсутствии априорной информации о характере и интенсивности помех эти алгоритмы позволяют оперативно вносить изменения в процесс восстановления, дополнительно повышая при этом качество отработки нестационарных искажений. Результаты второй главы опубликованы в работах [19-22,25,26, 36].
В третьей гласе проведена оценка эффективности разработанных методов и алгоритмов. Получены аналитические выражения, позволяющие оценить погрешности восстановления фазового фронта предложенными алгоритмами и обеспечивающие сравнимость этих алгоритмов с уже существующими. Проведен анализ эффективности применения математического аппарата сглаживающих В-сплайнов при решении задачи восстановления фазового фронта в условиях интенсивных шумов регистрации, а также анализ алгоритма концентрической кусочно-линейной аппроксимации в датчике фазового фронта малопараметрической адаптивной оптической телекоммуникационной системы.
Выполнена оценка вычислительных затрат, обусловленных применением синтезированных алгоритмов, позволяющая наилучшим образом выбрать параметры вычислительных алгоритмов при их реализации на ЭВМ. Результаты третьей главы опубликованы в [26,35].
В четвертой главе проведён анализ результатов численного моделирования разработанных методов, алгоритмов и научно обоснованные рекомендации по практической реализации синтезированных алгоритмов.
Представлены результаты численного моделирования методики минимизации числа каналов управления малопараметрической системы передачи информации. На базе разработанного метода и алгоритма с использованием результатов численного моделирования была разработана блок-схема датчика тангенциального типа. Выработаны научно обоснованные рекомендации по построению и применению разработанного устройства и методики. Показана целесообразность применения современных достижений микроэлектроники, в частности, использование IP-модулей для построения блоков и узлов» реализующих разработанные алгоритмы. Проведён численный расчет эффективности системы при использовании разработанных методов, методик и алгоритмов. Результаты четвертой главы опубликованы в [19, 26, 35, 36].
Наиболее существенные новые положения, выдвигаемые для защиты:
1 Существенное повышение дальности действия телекоммуникационных систем в 1,5 -г 2 раза достижимо на основе комплексного использования в турбулентных каналах методов и алгоритмов адаптивной оптики и разработанного в диссертационной работе научно-методического аппарата обработки оптических полей, позволяющих компенсировать возмущающие воздействия среды распространения на оптическое излучение.
2 Минимизация числа каналов управления адаптивной оптической телекоммуникационной системы возможна при учете геометрических характеристик функций отклика и вклада каждого из полиномов Цернике в итоговую ошибку аппроксимации фазового фронта в соответствии со статистикой фазовых флуктуации.
3 Уменьшение количества фотоприемников и числа каналов управления адаптивной оптической телекоммуникационной системы достижимо при использовании результатов измерений тангенциальных производных фазового фронта на апертуре датчика гартмановского типа с использованием базиса Цернике.
Наиболее существенные новые результаты, выдвигаемые для защиты:
1 Впервые разработанная методика минимизации числа каналов управления для адаптивной оптической телекоммуникационной системы, предполагающая описание профиля гибкого адаптивного зеркала в базисе Цернике и одновременный учет вклада каждого из них в итоговую ошибку аппроксимации фазового фронта в соответствии со статистикой фазовых флуктуации. Впервые предложенный метод и алгоритм восстановления фазового фронта для тангенциального датчика гартмаиовского типа и результаты оценки вычислительных затрат для их реализации.
3 Усовершенствованный метод и алгоритм концентрической кусочно-линейной аппроксимации фазового фронта для малопараметрических телекоммуникационных систем с тангенциальным датчиком фазового фронта и результаты оценки его функционирования.
4 Впервые предложенный метод параметрического оценивания с привлечением аппарата сглаживающих кубических нормализованных В-сплайнов в условиях априорной неопределенности, относящейся к коэффициентам сплайна, описывающих вид (форму) плотности распределения, позволяющий получить субоптимальную оценку по одному из основных критериев оптимальности на основе выборки ограниченного объема.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней нашли дальнейшее развитие методы адаптивной оптики применительно к телекоммуникационным системам в следующих направлениях:
1 Разработана новая методика минимизации числа каналов управления в адаптивной оптической телекоммуникационной системе, отличающаяся тем, что для аппроксимации аберраций турбулентной атмосферы и функций отклика гибкого адаптивного зеркала использован близкий к оптимальному базис полиномов Цернике, учитывающий геометрические характеристики функций отклика и вклад каждого из полиномов и итоговую ошибку аппроксимации фазового фронта в соответствии со статистикой фазовых флуктуации,
2 Разработан принципиально новый метод и алгоритм восстановления фазового фронта для тангенциального датчика гартмаиовского типа, позволяющий при уменьшенном количестве фотоприемников и числе каналов управления с использованием базиса Цернике использовать его в малопараметрических системах фазового сопряжения для компенсации нестационарных искажений оптического излучения, вызванных его распространением в турбулентной атмосфере.
3 Усовершенствован метод и алгоритм концентрической кусочно- линейной аппроксимации фазового фронта для мало параметрических систем, отличающийся тем, что для восстановления фазового фронта использованы результаты измерения двухплощадных фотоприёмпиков, расположенных на концентрических окружностях. Проведена оценка точности восстановления фазового фронта разработанным алгоритмом.
4 Для решения задачи оптимального оценивания сигналов в датчике фазового фронта оптической волны, прошедшей слой турбулентной атмосферы разработан метод субоптимального оценивания на базе математического аппарата сглаживающих нормализованных В-сплайнов, позволяющий в 2 + 3,5 раза повысить точностные характеристики малопараметрических систем фазового сопряжения и эффективно учитывать наличие шумов регистрации различной интенсивности при априорной неопределенности. Получены соотношения, описывающие потенциальную точность синтезированного алгоритма.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1 Применение разработанных методов и алгоритмов обеспечивает решение комплексной задачи совместной компенсации нестационарных искажений оптической волны и передачи информации, что позволяет повысить дальность действия перспективных телекоммуникационных систем в 1,5-=-2 раза, и таким образом достичь протяженности атмосферной линии до 5 км.
2 Полученные аналитические выражения, определяющие оптимальное с точки зрения обеспечения заданной точности восстановления и геометрии гибкого зеркала количество каналов управления, позволят на этапе проектирования осуществлять выбор и обоснование технических характеристик малопараметрической АОТС.
3 Результаты анализа показали, что точность восстановления фазового фронта алгоритмом на базе метода концентрической кусочно-линейной аппроксимации при малых размерах датчика в 1,5 + 2 раза превышает точность восстановления алгоритмом на базе метода наименьших квадратов.
4 Выполненная оценка вычислительных затрат при реализации разработанных алгоритмов показала, что в зависимости от особенностей их применения и числа фотоприёмников на апертуре, вычислительные затраты могут быть сокращены в 4 + 33 раза.
5 Применение разработанного пакета прикладных программ (свидетельства о регистрации программы для ЭВМ № 2006613449, 2006613448, 2006613447, 2006611355), реализующих синтезированные алгоритмы, позволит проводить исследования адаптивных оптических телекоммуникационных систем и реализовать их на специализированных ЭВМ.
Апробация, публикации результатов работы. Основные научные результаты опубликованы в 14 научных статьях, в том числе, четыре статьи [19, 26, 35, 36] в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации научных работ, отражающих основное научное содержание диссертации, общим объёмом 23 с. (авторских 60 %), изложены в 10 тезисах и докладах [20-25, 31-34] на 4 научно-технических конференциях, объёмом 80 с. (авторских 55 %): Международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения», г. Егорьевск, 2004 г.; Международной научной конференции «Наука и образование», г. Белово, 2004 г,; Международной научной конференции «Современные информационные технологии», г. Пенза, 2005 г.; Межрегиональной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Ростов-на-Дону, 2006 г.
По материалам диссертационных исследований получены 4 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ [27, 28, 295 30]5 общим объёмом 44 с. (авторских 50 %) и поданы две заявки на патент [4, 5].
Реализация результатов исследовании Научные результаты и практические рекомендации использованы в ФГУП ГКБ «Связь» г. Ростов-на-Дону в учебном процессе РИС ЮРГУЭС при преподавании дисциплин «Основы функционирования систем сервиса», «Теория информации», а также при написании одного учебно-методического пособия [18] (имеются соответствующие акты о реализации).
Результаты работы использованы при проведении исследований в Проблемной лаборатории перспективных технологий и процессов Центра исследований проблем безопасности РАН и ЮРГУЭС по программе Министерства образования и науки «Развитие научного потенциала высшей школы», проект РНП.2.1.2.75 «Теоретические основы проектирования прецизионных аналоговых микросхем и аналоговых функциональных узлов IP-модулей с предельными значениями динамических параметров».
