Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Назначение и принципы построения современных систем передачи данных в сетях связи промышленного назначения 10
1.1. Общая характеристика сетей связи промышленного назначения 10
1.1.1. Организации сетей связи промышленного назначения 11
1.1.2. Организации речевых каналов 13
1.1.3. Организации каналов телемеханики 15
1.1.4. Организации каналов передачи данных и АСКУЭ 16
1.2. Характеристика физической среды каналов сетей связи на примере электроэнергетики 17
1.3. Анализ характеристик современной аппаратуры связи для построения сетей связи промышленного назначения на базе ВЧ-каналов 22
1.4. Классификация систем передачи данных ведомственных сетей связи промышленного назначения 27
1.5. Анализ методов цифрового кодирования речи 33
1.5.1. Основные принципы кодирования речи 34
1.5.2. Параметры, характеризующие цифровые кодеки 35
1.6. Постановка задачи построения ЦСПИПД 39
Выводы по Главе 1: 48
Глава 2 Разработка моделей и способа построения цифровой системы передачи интегрального потока данных (ЦСПИПД) 50
2.1. Создание и внедрение цифровых каналов связи в ведомственных сетях связи промышленного назначения 50
2.2. Организация передачи интегрального потока данных на базе ЦСПИПД 52
2.3, Назначение и особенности применения систем передачи данных с синхронным временным уплотнением каналов 55
2.3.1. Организация многоканальной цифровой передачи речи 58
2.3.2. Организация прозрачной кодонезависимой передачи данных от аппаратуры телемеханики в синхронном мультиплексном канале 60
2.4. Основные задачи исследования и разработки при построении ВЧ- модема ЦСПИПД 63
2.4.1. Построение КАМ-модемов с высокой удельной скоростью для систем высокочастотной связи промышленного назначения 64
2.4.2. Разработка системы многоуровневой синхронизации 67
2.5. Разработка функциональной структуры ЦСПИПД 70
2.6. Анализ времени задержки в ЦСПИПД 81
2.7. Процедуры адаптации ЦСПИПД 84
2.8. Протокол управления информационным каналом ЦСПИПД 93
2.9. Обоснование необходимости разработки протокола управления передачей 93
2.9.1. Основные процедуры протокола управления передачей ЦСПИПД. 97
2.9.2. Процедуры канального уровня. Вопросы обеспечения достоверности передачи ИПД 99
2.9.3. Формат кадра ЦСПИПД 101
2.10. Процедура организации передачи служебной информации в ЦСПИПД 102
2.10.1.Организация передачи служебной информации на основе специальных сигнальных конструкций 103
2,10.2.Организация передачи служебной информации на основе системы пилот-сигналов 106
2.10.3.Процедура установления соединения на физическом уровне 107
2.10.4.Процедура установления соединения на канальном уровне 109
2.10,5.Оценка времени процедуры установления соединения 114
Выводы по Главе 2: 115
Глава 3 Разработка аппаратно-программных средств функциональных элементов ЦСПИПД 118
3.1. Разработка функциональной модели ВЧ-модема 118
3.1.1. Разработка системы многоуровневой синхронизации 119
3.1.2. Разработка функциональной модели модулятора ВЧ-модема 122
3.1.3. Разработка функциональной модели демодулятора ВЧ-модема 127
3.2. Синхронизация задач и потоков данных ЦСГЖГТД 131
3.3. Разработка функциональной структуры эквалайзера на основе адаптивного комплексного фильтра 136
3.4. Разработка функциональной структуры программного обеспечения многоканального вокодера в ЦСПИПД 144
3.5. Разработка архитектуры многопроцессорной ЦСПИПД 147
Выводы по Главе 3: 152
Глава 4 Экспериментальное исследование характеристик и реализация ЦСПИПД154
4.1. Реализация и внедрение ЦСПИПД 154
4.2. Результаты стендовых испытаний 156
4.2.1. Измерение соотношения сигнал/шум в канале 158
4.2.2. Измерение коэффициента ошибок на искусственной линии с генератором помех 160
4.2.3. Отработка скачков и провалов уровня сигнала на линии 162
4.3. Линейные испытания ЦСПИПД в составе опытных образцов аппаратуры АВС-ЦМ 164
Выводы по Главе 4 168
Заключение 170
Список литературы: 174
Приложение 185
- Организации сетей связи промышленного назначения
- Характеристика физической среды каналов сетей связи на примере электроэнергетики
- Создание и внедрение цифровых каналов связи в ведомственных сетях связи промышленного назначения
- Разработка системы многоуровневой синхронизации
Введение к работе
Во многих отраслях экономики страны, таких как, электроэнергетика,
транспорт существуют специализированные сети связи, - сети связи промышленного назначения (ССПН), предназначенные для решения задач технологического управления распределенными промышленными объектами.
Особенностью сетей связи промышленного назначения является то, что топология сети соответствует инфраструктуре самого предприятия. Исторически, экономически целесообразным было использование существующих технологических связей между объектами предприятия, таких как, линии электропередачи, нитки нефтепроводов, грозозащитные тросы, в качестве нетрадиционных физических сред передачи информации. Например, в электроэнергетике России и других стран СНГ для передачи информации, необходимой для оперативно-диспетчерского и административно технологического управления процессом производства и распределения электроэнергии, широко используются высокочастотные (ВЧ) каналы связи по проводам линий электропередачи.
Задача технологического управления распределенными промышленными объектами состоит в организации прямой диспетчерской телефонной связи, коммутируемой телефонной связи, организации каналов сбора и передачи низкоскоростной технологической дискретной информации от различных источников, включая аппаратуру телемеханики (ТМ), аппаратуру автоматизированного контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ), аппаратуру регистрации аварийных событий, цифровые осциллографы.
Упомянутая выше особенность ССПН, - создание сети на базе инфраструктуры предприятия, а также задачи централизованного управления, привели к возникновению интегрального потока данных. Интегральный поток данных - это поток данных, в котором сообщения от различных (разнородных) источников данных в сети характеризуются общностью источников или
приемников информации. Данный факт привел к отсутствию в ССПН средств маршрутизации и коммутации сообщений.
Несмотря на, казалось бы, различные решаемые задачи и методы управления процессами в отраслях энергетики, железных дорог и Газпрома, все они имеют следующие общие тенденции развития. Все эти отрасли, расширяя географию своей деятельности, постоянно развиваются, тем самым, увеличивая общую протяженность сети связи и объем передаваемой информации, что влечет за собой наращивание каналов связи.
Как показывают результаты системотехнического и экономического анализа, создаваемая в последние годы единая сеть электросвязи, в частности энергетики, в основном еще остается аналоговой, и не может в полной мере обеспечить возрастающие требования задач технологического управления, в связи, с чем требуется внедрение новых информационных и телекоммуникационных технологий.
На сегодняшний день основной причиной недостаточно эффективной работы ССПН является применение морально и физически устаревших телекоммуникационных систем, которые, во-первых, не в состоянии поддержать возрастающую производительность источников информации, т.е. обеспечить передачу необходимого объема разнородной информации с требуемой скоростью. И, во-вторых, существующая технология уплотнения информации в данных системах привела к недостатку свободного ресурса для организации новых каналов.
Таким образом, для эффективного решения задач технологического управления, становится актуальной разработка телекоммуникационных систем сетей связи промышленного назначения.
Основным ресурсом, обеспечивающим функционирование любой телекоммуникационной системы, является канал связи. Для разработчика он доступен только в аналоговом виде, в качестве свободной полосы частот (например, 4 кГц), тогда как для потребителя он также может быть доступен в циф-
ровом виде, в качестве свободной информационной емкости канала. Оптимальное использование телекоммуникационного (ТК) ресурса является важным как с экономической точки зрения - высокая цена единицы ТК ресурса, так и с технической точки зрения - недостаточное число предлагаемых единиц ТК ресурса.
Решением этих проблем является комплексное использование основных единиц ТК ресурса. Комплексность использования означает, что определенный ТК канал одновременно применяется для передачи различных видов информации: например, аналоговой речевой информации и дискретной информации от аппаратуры ТМ, АСКУЭ, цифровых осциллографов. Комплексное использование канала предполагает единый способ представления информации различного типа с последующей интеграцией и передачей в одном канале. Данный подход реализуется при представлении информации в цифровом виде с использованием современных достижений в области методов и средств цифровой обработки сигналов. Такой подход соответствует общей тенденции перехода сетей связи к цифровым методам передачи. При представлении разнородных данных в цифровом виде можно говорить о новом для ССПН способе уплотнения информации, или вторичного уплотнения каналов, а именно временном мультиплексировании каналов.
Для организации многоканальной передачи разнородной информации в едином потоке необходимо наличие ресурса в виде информационной емкости, который в свою очередь, может быть получен только при достижении высоких удельных скоростей передачи порядка 6-7 бит/Гц. Таким образом, одним из важнейших элементов проектируемой ТК системы, является модем, от которого напрямую зависит достигаемая максимальная физическая скорость передачи и информационная емкость. Качество и надежность модема в значительной мере определяют надежность и помехоустойчивость передачи данных, а в современных системах диспетчерской связи - качество и надежность цифровых телефонных каналов.
Основную задачу данной работы можно сформулировать следующим образом: "Разработка цифровой системы передачи интегрального потока данных (ЦСГТИПД), способов ее построения и моделей функциональных элементов в рамках современных методов и средств передачи информации, а также методов цифровой обработки сигналов".
Первая часть работы посвящена разработке моделей преобразования и форматов представления различных данных, разработке модификации метода временного разделения каналов и средств синхронизации данных. Предложен способ мультиплексирования нескольких синхронных потоков данных ТМ в формате кадра передачи модема. Разработаны форматы кадров, обеспечивающие одновременную двухканальную передачу «цифровой» речи, передачу двух низкоскоростных каналов ТМ и одного канала передачи данных. Предлагается способ многоуровневой синхронизации на основе выделенного частотного канала синхронизации и системы пилот-сигналов. Во второй части работы предлагается модель и способы построения адаптивной ТК системы, эффективно реализующей функции передачи интегрального потока данных, и сочетающей свойства модема и мультиплексора. Высокочастотный модем (ВЧ-модем), обеспечивает передачу данных с высокой удельной скоростью до 19.2 кбит/с в полосе 4 кГц ВЧ-канала в диапазоне 24 - 1000 кГц.
Предлагаемое новое решение задачи построения ТК системы для работы в ограниченной полосе частот имеет важное значение для развития цифровых каналов связи и компьютерных сетей на базе существующих линий связи распределенных промышленных систем. Успешное решение данной задачи на базе методов ЦОС с внедрением создаваемой аппаратуры в распределенных промышленных системах для обеспечения цифровой телефонной связи с одновременной передачей данных, позволит выйти на принципиально новый уровень телекоммуникаций в каналах ССПН.
Предложенные и реализованные способы построения аппаратно-программных средств ЦСПИДД, а также заложенные в них вычислительные
модели подтвердили свою эффективность в составе опытных образцов аппаратуры ВЧ-связи АВС-ЦМ на реальном канале и приняты к серийному производству на предприятиях ОАО "Нептун" г. Одесса и ООО "НПФ "Модем" г. Санкт-Петербург.
Предлагаемые способы построения аппаратно-программных средств ЦСПИПД для ССПН определяют основу при разработке каналообразующей аппаратуры систем данного класса, т. к. методы и модели, заложенные в способы построении системы, достаточно универсальны и определяются применением методов ЦОС. Необходимо отметить, что перспективной целью данной работы является масштабное внедрение аппаратуры цифровой ВЧ-связи в электроэнергетике России и стран СНГ, которое обеспечит серьезную альтернативу аппаратуре таких мировых фирм-лидеров в данной области как ABB Network Partner (ETL-500, Швейцария), Iskra Sysen (ET-7, Словения) и Dimat (OPC-1, Испания).
Организации сетей связи промышленного назначения
Как было сказано выше, перечисленные виды информации используются для задач диспетчерского управления и сбора информации. Информация в такой системе, как правило, передается между объектами предприятия, например, для энергетики, от электрических станций, подстанций к центрам диспетчерского управления, и с точки зрения использования и обработки эта информация характеризуется общими маршрутами доставки (Рис. 1.1). То есть направления и маршруты потоков данных телефонной связи, телемеханики, и межмашинного обмена, как правило, совпадают и поэтому не стоит задача маршрутизации этих разнородных потоков. Сеть связи строится на основе возможных маршрутов доставки путем выделения канала по дереву сети. Таким образом, ССПН представляет собой множество выделенных каналов, как для основных, так и для альтернативных маршрутов доставки. Первый вариант это 4 кГц разрезка спектра в диапазоне от 24 кГц до 1МГц, и второй вариант - от 24 кГц до 500 кГц. Общепринятым мировым стандартом является второй вариант, т.к. выше 500 кГц передача любых сигналов требует частоты и мощности сигнала в канале передачи согласования с национальными Радиокомитетами. Ранее в Советском Союзе, а сейчас в России и странах СНГ сложилась практика работы по ЛЭП в полосе до 1 МГц. Стандартным каналом является полоса частот 4 кГц. Международный стандарт ІЕС-60495 регламентирует разрезку высокочастотного спектра на каналы с полосой 4 кГц. Возможно разбиение частотной сетки, нерегламентированное
IEC-60495, но реализованное в ряде типов современной аппаратуры ВЧ-связи, например, ETL-500 /Швейцария/, Nera /Норвегия/, ВТ-8 /Словения/, с шириной полосы на 8 кГц. Это позволяет за счет эффективного уплотнения в этой частотной полосе обеспечивать Зх-канальную аналоговую телефонную связь, учитывая, что в полосе 4 кГц обеспечивается только одноканальная аналоговая телефонная связь. Таким образом, можно обеспечить один дополнительный телефонный канал, совмещая две полосы 4 кГц одновременно, выигрыш обеспечивается и за счет уменьшения интервала между частотными каналами. По стандарту МЭК-495 [113] могут быть реализованы два варианта: разнесенный и сближенный прием. В случае сближенного приема используется передача/прием обратного канала без разноса (без защитных частотных интервалов) по 4 кГц сетке, а при разнесенном приеме стандартным разносом частотных каналов является интервал в 8 кГц. В основном сети связи распределенных систем технологического управления производственными объектами базируются на собственных каналах, центрах коммутации и аппаратуре сигнализации вызова. Телефонные каналы обеспечивают: технологическую связь для решения задач диспетчерского управления, оперативную телефонную связь аварийных бригад, а также технологическую связь при проведении планово-предупредительных мероприятий и регламентных работ на удаленных объектах (например, в электроэнергетике это подстанции и генерирующие объекты).
Особенность речевых каналов, используемых в ССПН, состоит в том, что полоса частот, используемая для организации телефонных каналов, является нестандартной и отличается от стандартной полосы канала тональной частоты (ТЧ) 0,3-3,4 кГц. Данный факт связан с тем, что исторически, учитывая высокую стоимость и сложность организации каналов ВЧ-связи, организуемые каналы уплотнялись каналами телемеханики, каналами коммерческого учета электроносителей, на основе метода частотного разделения каналов. Это привело к ограничению полосы реального речевого канала. Как правило, эти каналы организуются в полосе 0,3-2,2 кГц. Также существует практика организации речевых каналов в полосе 0,3-1,8 кГц, либо в полосе 0,3-2,8 кГц. Данная особенность, при использовании большинства современных модемов, соответствующих стандартным рекомендациям ITU [40], приводит к снижению скорости передачи данных, поскольку для реализации максимальных скоростей они требуют полосы частот 0,3-3,4 кГц. Например, в полосе 0,3-2,2 кГц могут работать модемы с максимальной скоростью 300 бит/с в дуплексном режиме (рекомендация ITU V.21, средние частоты каналов 1180 и 1750 Гц). Модем со скоростью 1200 бит/с требует верхней частоты среза не менее 2.4 кГц (Рекомендация ITU V.23, [32]).
Второй существенной особенностью речевых каналов, организуемых по каналам ССПН, является то, что канал связи, образуется на основе нетрадиционной физической среды (ФС) передачи, например., в электроэнергетике на основе линий электропередачи (ЛЭП). ЛЭП - это лишь среда, по которой могут распространяться ВЧ-сигналы как переносчики телефонного сигнала и сигнала данных [2,57]. При использовании аналоговых методов передачи в телефонный спектр попадают все помехи, существующие в реальных линиях: коронный разряд, индустриальные помехи, атмосферные помехи. Учитывая такие факторы, как большая протяженность самих линий, величину затухания сигнала уровень помех при приеме превышает уровень помех, который нормирован в телефонных каналах электросвязи Минсвязи. Соотношение сигнал/шум с учетом возможного уровня помех может достигать минус 26 дБ, что соответствует достаточно высокому, субъективно ощутимому на слух уровню помех. При таком уровне помех качество речи с коммерческим качеством не достижимо. Для технологической диспетчерской связи такие каналы имеют право на существование. Субъективно, для хорошего качества восприятия речи шум в низкочастотном окончании должен быть порядка минус 50-55 дБ. При этом шум не должен приводить к отклонениям по узнаваемости и разборчивости речи [68].
Характеристика физической среды каналов сетей связи на примере электроэнергетики
Для передачи сигнала может использоваться физическая среда (ФС), которая специально предназначена для передачи информации, как, например, в стационарной телефонной связи или при передаче информации через медный, коаксиальный или оптический кабель.
Кроме этого, для передачи информации могут быть использованы нетрадиционные ФС передачи, например, линии электропередачи в электроэнергетике и на железнодорожном транспорте, нитки нефтепроводов и газопроводов и т.д. При этом передача информационного сигнала является вспомогательной функцией по отношению к основному назначению ФС передачи (передача электрической энергии, транспортировка нефти или газа). Вследствие этого, сети связи, построенные на базе нетрадиционных ФС передачи, характеризуются высоким уровнем помех и шумов, большим затуханием линии, что предъявляет повышенные требования к аппаратуфе связи. Однако использование существующих сред передачи позволяет получить значительную экономию на стоимости линий связи и их прокладке.
Характеристики физических каналов связи определяются в первую очередь условиями распространения сигналов и видом воздействующих помех. ЛЭП, служащие средой передачи сигнала, подвержены воздействию многих помех: шумы несущих элементов, помехи, связанные с атмосферными явлениями, индустриальные помехи, сосредоточенные помехи. Для ЛЭП выделяют специфические помехи, прежде всего, это коронный разряд, который всегда существует. Учитывая влажность воздуха, между изоляторами всегда присутствует проводящая среда, в ней существуют токи, изменяющиеся во време ни, которые создают характерный коронный разряд, в результате чего возникает электромагнитное поле, приводящее к помехам, во всей частотной полосе. В зависимости от мгновенного напряжения на трех фазных проводах за один период частоты 50 Гц возникают три характерных шумовых всплеска помехи, т.е. помеха может приводить к пакетному характеру ошибок. Среднеквадрати-ческое значение шума помехи типа «корона» изменяется во времени как показано на Рис. 1.4. Перечисленные виды помех отличаются распределениями, мощностью и могут приводить к одиночным или пакетным ошибкам при передаче данных. Но в любом случае эти помехи неизбежны, и поэтому, должны учитываться в тракте обработки сигнала при приеме. Передача данных в аппаратуре ВЧ-связи должна обеспечиваться с учетом требуемой и достигаемой помехоустойчивости, при заданном соотношении сигнал/помеха. На приеме необходимо учитывать последствия ошибок, так, например, при использовании цифрового вокодера речь будет терять узнаваемость и разборчивость при вероят-ности ошибки выше 10 [82].
Одним из свойств ЛЭП является согласованность линии. При неидеальном согласовании линии передачи может возникнуть сложная интерференционная картина с многократным отражением от концов линии. Это приводит к частотной неравномерности линии, амплитудным и фазовым искажениям, что в свою очередь приводит к снижению скорости передачи ВЧ-модема. На Рис. 1.5 показаны частотные зависимости затухания (амплитудная характеристика линии передачи) и группового времени запаздывания (фазовая характеристика) для ВЧ-тракта при согласованном и рассогласованном режиме работы [14]. На рисунках хорошо видно волнообразное изменение параметров ВЧ-тракта при изменении частоты вследствие влияния отраженных от концов линии волн, причем для случая рассогласованного режима это влияние существенно больше.
Создание и внедрение цифровых каналов связи в ведомственных сетях связи промышленного назначения
Современные тенденции построения телекоммуникационных систем определяют необходимость перехода от аналоговых к цифровым методам передачи интегрального потока данных. Актуальность этой задачи определяется, во-первых, старением существующего парка аппаратуры, во-вторых, - возможностью реализации пропускной способности этих каналов с увеличением информационной емкости, в-третьих, - созданием новых каналов передачи данных на базе существующих, не полностью использованных полос частот. Такой подход обеспечивает повышение качества передачи речи от телефонных абонентов, возможность мультиплексирования нескольких телефонных каналов, нескольких каналов передачи данных ТМ и одного канала ММО. Решение этой задачи позволит обеспечить новые возможности интеграции потоков речи и потоков данных в существующих каналах связи при условии модернизации парка каналообразующей аппаратуры на базе мультиплексоров, вокодеров и новых типов линейной аппаратуры.
Основным положительным эффектом внедрения цифровых каналов является возможность использования существующих ВЧ-каналов, но уже с повышенной информационной емкостью, т. е. с возможностью уплотнения до пяти цифровых каналов передачи информации в одной полосе 4 кГц высокочастотного канала связи. Необходимо отметить, что переход к цифровым каналам связи предполагает переход к новой технологии совмещенной передачи речи и данных от других источников информации различного типа. Особенно это относится к возможности передачи сигналов модемов и факсимильной аппаратуры, чьи сигналы не могут быть переданы через цифровой телефонный канал на основе вокодера. Передача сигналов данного типа может осуществляться либо в аналоговом виде, либо с предварительным преобразованием в поток данных специального формата для последующего мультиплексирования в формате передачи цифрового ВЧ-модема или системы ВЧ-связи.
При переходе от аналогового к цифровому методу передачи речи решается важная задача - повышение качества приема телефонного сигнала. При цифровом способе передачи в сигнале речи отсутствует шумы линии, уровень которых существенно снижает качество речи при аналоговом способе передачи. Однако, помехи, возникающие в реальных каналах связи, могут приводить к ошибкам в потоке данных, с помощью которых передается речевой сигнал. Это, в свою очередь, может приводить к ошибочному восстановлению речевого сигнала. Вследствие этих ошибок возникает нарушение узнаваемости и разборчивости речи в отдельные моменты времени. Например, применительно к электроэнергетике, внедрение цифровых речевых каналов позволяет в значительной степени улучшить качество связи, поскольку в физических средах, используемых для передачи телефонного сигнала соотношение сигнал/шум значительно хуже, чем в обычных телефонных каналах на основе проводных сред. Поэтому в данной отрасли построение цифровых каналов очень актуально, учитывая, что порогом работоспособности канала или его безаварийного состояния является соотношение сигнал/шум минус 26 дБ.
Наряду с очевидными положительными качествами, проявляющимися при организации цифровых телефонных каналов, появляется ряд новых задач, которые в значительной степени усложняют разработку системы. Успешное решение этих задач позволяет перейти к многоканальной передаче, где одновременно в полосе 4 кГц может передаваться информация одного или нескольких цифровых телефонных каналов и дополнительно, информация от одного или нескольких источников данных. Таким образом, информационная емкость цифровой каналообразующей аппаратуры по сравнению с аналоговой, в которой существует возможность передачи только одного речевого канала, уплотненного одним каналом передачи данных ТМ, возрастает в несколько раз.
Интегральный поток данных, формируемый на низкочастотных абонентских окончаниях ЦСПИПД, определяется тремя источниками информации различного характера. Это внутренний синхронный битовый поток от речевых вокодеров по Рекомендации G.729D ITU, внешние синхронные потоки от аппаратуры ТМ и внешний синхронный или асинхронный поток данных межмашинного обмена или цифрового осциллографа. На Рис. 2.1 приведена структурная схема организации передачи интегрального потока данных с помощью ЦСПИПД в полосе 4 кГц на основе временного уплотнения каналов. Здесь проиллюстрирована организация двух цифровых телефонных каналов, двух каналов телемеханики и одного канала связи с оконечным оборудованием данных (например, ЭВМ).
Абонентские телефонные окончания поддерживаются аналоговыми интерфейсами ТЛФ1 и ТЛФ2. Преобразование отсчетов речевого сигнала в битовый поток и обратное преобразование битового потока в отсчеты восстанавливаемого речевого сигнала будет выполняться соответственно кодером и декодером речи первого и второго телефонного канала.
Переход от частотного уплотнения каналов ТМ к временному уплотнению на основе предложенной модификации метода синхронного временного уплотнения каналов позволяет организовать несколько независимых синхронных каналов передачи данных от аппаратуры ТМ. Как правило, в одном направлении в одной полосе 4 кГц ВЧ-канала организуется либо один, либо два канала телемеханики (ТМ1, ТМ2). Наиболее часто используются низкоскоростные каналы ТМ со скоростью 100 или 200 бит/с, значительно реже используются более высокие скорости, которые могут быть реализованы в канале передачи данных.
Разработка системы многоуровневой синхронизации
При построении модема с относительно высокой удельной скоростью для цифрового канала в ограниченной полосе частот 4 кГц используются известные подходы и методы передачи сигналов [39,40,45]. Использование оптимального формирующего фильтра передачи при формировании модулированного сигнала гарантирует получение отсчетных (истинных) значений в середине тактового интервала. Все остальные точки принимаемого сигнала не являются отсчетными и не информативны. При построении модулятора реализуется оптимальный формирующий фильтр типа «приподнятый косинус». Отсутствие интерференции в отсчетных точках обеспечивается АЧХ фильтра, с коэффициентом передачи равным 0.5 на частоте равной Fr/2 [71,123]. Реализация такого фильтра на передаче позволяет в условиях достаточно точной синхронизации на приеме обеспечить истинность значений в отсчетных точках сигнала.
Реализация оптимального приемника возможна только в полосе, в пределах которой полностью сохраняется спектр сигнала, сформированный при передаче. При этом условии не происходит потери информации с выхода формирующего фильтра передачи, но остается проблема синхронизации, связанная с нахождением отсчетной точки на оси времени. При наличии отдельного канала синхронизации или при условии идеальной синхронизации, учитывая реальную частоту дискретизации, возникает проблема несовпадения моментов стробирования сигналов и меток синхронизации. Эта проблема решается применением интерполяции с последующей децимацией на основе интерполирующих фильтров. Задача переквантования и величина погрешности определения истинных отсчетов определяется доступным вычислительным ресурсом цпос.
Реальные каналы всегда содержат неравномерность АЧХ и ГВЗ. Если в качестве примера рассмотреть результаты исследования характеристик линий связи, образованных по ЛЭП [14,15,41], то основной вклад в эту неравномерность вносится неидеальным согласованием физической среды распространения сигналов. С учетом элементов обработки ЛЭП (фильтров присоединения, конденсаторов связи, заградителей на стороне передачи и приема) канал характеризуется существенной неравномерностью, которая определяется в основном интерференционной картиной в полосе 4 кГц из-за неидеального согласования устройств обработки на стороне передачи и стороне приема. Реальная неравномерность АЧХ может достигать 6-8 дБ в пределах полосы 4 кГц, неравномерность ГВЗ может достигать 250 мкс. Классическим подходом для решения задачи коррекции АЧХ и ГВЗ является построение эквалайзера на базе адаптивного фильтра [3,109,128]. Адаптивный фильтр обеспечивает коррекцию АЧХ и ГВЗ на основе специальных обучающих сигналов в фазе настройки, а также на основе рабочего сигнала в фазе приема информации. Таким образом, адаптивный эквалайзер является необходимым функциональным элементом демодулятора ВЧ-модема.
Одной из наиболее важных задач обеспечения работы ВЧ-модема является задача организации многоуровневой синхронизации [93]. От эффективности ее решения зависит помехоустойчивость модема и возможность построения синхронного мультиплексора данных различного типа, включая «цифровой поток» речевого сигнала. При реализации подхода, при котором ВЧ-модем и мультиплексор представляют единую систему, для решения задачи многоуровневой синхронизации предлагается использовать двухчастотную систему пилот-сигналов [26].
Система пилот-сигналов (FPH;FPL) передается в узкой полосе частот AFnc, выделенной в полосе 4 кГц ВЧ-канала, причем выделение частотного канала обеспечивается исходя из условия их наиболее благоприятного расположения пилот-сигналов относительно «нулевой частоты» в тракте приема.
Здесь же пунктиром показаны полосы пропускания цифровых фильтров выделенного частотного канала пилот-сигналов. Столь близкое расположение пилот-сигналов в ВЧ-спектре практически не подвержено существенным амплитудным и фазовым самого ВЧ-канала. Следовательно, принимаемая и рас-фильтровываемая на приемной стороне пара пилот-сигналов с возможным дискретным набором амплитуд передачи команд, может с высокой точностью задавать масштаб времени передающей стороны даже в случае сдвига частоты при переносе на «нулевую частоту» в тракте приема. При сохранении условия практической синфазности кратных частот пилот-сигналов эталоном масштаба времени частоты передачи является разностная частота FPD - FPH - FPL.
Система многоуровневой синхронизации обеспечивает эффективное фазирование, поддерживающее работу модема с заданной скоростью при уходе задающих генераторов взаимодействующих полукомплектов до 5 ррш.
Многоуровневая синхронизация в системе ВЧ-связи реализована программно на базе многопроцессорной системы с использованием сигнальных процессоров семейства ADSP 218х.
