Содержание к диссертации
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ
ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛОВ ТЧ 17
1.1. Прямые методы зондирования канала ... 17
1.1*1» Частотный метод 17
Измерение АЧХ . . 18
Измерение ЧХ ГВП 21
1.1.2. Определение частотных характеристик канала
по временным характеристикам 22
1.1.3. Метод контроля чарто.тных характеристик ка
нала связи, основанный на использовании
структурных свойств испытательных сигналов .... 31
Корреляционные методы 34
Методы сравнения с моделью 34
Выводы 40
2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ АППАРАТУРНОЙ
РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ и
КОНТРОЛЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛОВ ТЧ 41
2.1. Исследование принципов автоматизации панорамных
измерений 41
2.1.1. Измерение частотных характеристик при
непрерывном изменении частоты
измерительного сигнала 41
Структурная схема и принцип действия автоматического измерителя ЧХ 43
Динамическая погрешность и её инструментальное исследование 55
2.1.2. Измерение частотных характеристик при
дискретном изменении частоты измери
тельного сигнала. . 63
Определение длительности измерений 64
Способ реализации требуемой длительности измерений . 68
2.2. Исследование метода измерений частотных
характеристик с одновременным вводом
измерительных сигналов 70
2.2.1. Определение необходимого числа отсчетов
при измерении АЧХ канала ТЧ 72
2.2.2. Определение необходимой точности уста
новки частоты и отсчета остаточного
затухания при измерении АЧХ канала ТЧ 78
2.2.3. Формирование многочастотного измери
тельного сигнала 84
Выбор начальных фаз составляющих многочастотного измерительного сигнала с целью минимизации пикфактора 86
Выбор разрядности ЦАП 89
Выбор емкости ПЗУ 90
2.2.4. Исследование влияния сдвига частоты в
канале ТЧ на точность цифрового анали
за ЧХ 92
2.3. Методы обеспечения достоверности резуль
татов автоматического контроля частотных
характеристик каналов ТЧ 98
2.3.1. Определение точности измерения частотных
характеристик при автоматическом контроле .... 101
2,3.2, Введение производственных допусков НО
2.4. Выводы 112
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
КАНАЛОВ В СИСТЕМЕ ПЕРЕДАЧИ С ИКМ ИЗ
3.1. Паразитная амплитудная модуляция гармони
ческого измерительного сигнала в системе
передачи с ИКМ ИЗ
Частота паразитной AM 114
Глубина паразитной AM. . 125
3.2. Измерение уровня гармонического измери
тельного сигнала в системе передачи с ИКМ 126
3.2.1, Выбор частоты сигнала и длительности изме
рений при определении амплитудных значений . . . 126
3.2.2. Особенности измерения средиевыпрямлен-
ного значения 133
3.3. Измерение фазовых параметров в каналах
системы передачи с ИКМ 137
3.3.1. Измерение частотной характеристики
группового времени прохождения 137
Влияние паразитной AM гармонического измерительного сигнала 137
Влияние порога перегрузки кодирующего устройства 145
3.3.2. Измерение фазо-частотной характеристики 146
3.4. Выводы 149
4. АЇИІаРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕС
КИХ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИС
ТИК КАНАЛОВ ТЧ 151
4.1. Автоматический измеритель АЧХ каналов
ТЧ цифровых систем передачи 151
Назначение и область применения 151
Разработка исходных данных и предварительные экспериментальные исследования 151
Функциональная схема 159
4.1.3.1. Функциональная схема передающей
части 159
4.1.3.2. Функциональная схема приемной
части 160
4.1.3.3. Функциональная схема устройства
управления * 165
4.2. Устройство автоматического контроля АЧХ
каналов ТЧ с генерируемым шаблоном 165
Цель разработки и назначение 165
Структурная схема и принцип действия 168
Определение длительности измерений и
закона изменения частоты 171
4.3. Выводы 182
Заключение 183
Литература 188
Приложения
Приложение I, Инструментальное исследование
динамической погрешности панорамных измере
ний частотных характеристик 202
П.І.І. Принцип построения приборов для инстру
ментального исследования динамической погреш
ности панорамных измерений ЧХ 202
П.І.2. Методика инструментального исследования динамической погрешности панорамных измерений
АЧХ с помощью ИДП АЧХ 206
Приложение 2. Результаты экспериментальных
исследований 209
Приложение 3. Методика выбора частоты ГИС и длительности измерений в системах передачи
с ИКМ. . . .. 219
Приложение 4. Программа на языке Фортран для вычисления количества гармоник Фурье разложения, приближающих функцию с заданной точностью
по критерию среднеквадратичного отклонения 228
Приложение 5. Программа на языке Фортран для вычисления таблицы двоичных кодов ПЗУ цифрового синтезатора многочастотного ИС с оптимизированным пикфактором. Таблица двоичных кодов ПЗУ
емкостью 512 слов х 12 разрядов 230
Приложение 6. Программы на языке Бейсик для
вычисления максимальной погрешности измерений
ЧХ в каналах ТЧ со сдвигом частоты при исполь
зовании БПФ 239
Приложение 7. Фотографии разработанных устройств автоматических измерений и контроля
АЧХ каналов ТЧ 245
Приложение 8. Акты о внедрении результатов
диссертационной работы .... 248
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ АД - амплитудный детектор АЗУ - аналоговое запоминающее устройство АК - аналоговый коммутатор AM - амплитудная модуляция A3* - арифметическое устройство АХ — амплитудная характеристика АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЧХ - амплитудно-частотная характеристика БЛОРС - блок логической обработки результатов сравнения БОН - блок опорных напряжений БПФ - быстрое преобразование Фурье БС - блок сравнения ВСУ - входное согласующее устройство Г - генератор
ГВП - групповое время прохождения ГИС - гармонический измерительный сигнал ГКПИ - генератор квантующей последовательности импульсов ГКЧ - генератор качающейся частоты ГТИ - генератор тактовых импульсов
ДПКД - делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДШ - дешифратор ЗУ - запоминающее устройство ИДП АЧХ - измеритель динамической погрешности панорамных
измерений АЧХ ИКМ - импульсно-кодовая модуляция ИС - измерительный сигнал ИХ - импульсная характеристика
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития GCGP на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года", принятых на ХХЗП съезде КПСС, в качестве одной из основных задач отрасли связи страны предусмотрено "обеспечить более полное удовлетворение потребности народного хозяйства и населения в услугах связи, повысить их качество". х
Развитие народного хозяйства, науки и культуры ведут к быстрому увеличению объема информации, передаваемой средствами электрической связи, требуют постоянного усложнения и совершенствования систем и аппаратуры связи, роста числа каналов. В результате возникает целый ряд специфических проблем, связанных с организацией обслуживания и обеспечения высокой эксплуатационной надежности и качества средств связи.
Для своевременного обнаружения и устранения неисправностей в системе передачи информации необходимы постоянный контроль и периодические измерения, что, при существующей тенденции развития, требует присутствия на передающей и приемной станциях все возрастающего по численности и уровню квалификации обслуживающего персонала, увеличение числа измерительных приборов, рост временных и трудовых затрат на обслуживание. Вследствие этого возросшие потенциальные возможности средств связи не могут быть полностью использованы.
Основным направлением разрешения возникшего диалектического противоречия является широкое внедрение в практику эксплуатации систем связи автоматических измерительных приборов,
хМатериалы ХХУІ съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1981. - 173 с.
10 позволяющих существенно повысить скорость и точность контроля параметров по сравнению с ручной проверкой, исключить субъективность оценок, сократить численность и снизить требования к необходимой квалификации обслуживающего персонала [ 1,2,53 ] .
Канал тональной частоты (ТЧ), соответствующий заданным нормам, должен обеспечивать передачу как аналоговой, так и дискретной информации. Основными качественными показателями, подлежащими контролю при любом использовании канала и полностью определяющими линейные искажения передаваемого по каналу сигнала, являются частотные характеристики (ЧХ): амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и частотная характеристика группового времени прохождения (ЧХ ГВП).
Проблеме автоматизации измерений и контроля ЧХ в технической литературе уделено недостаточное внимание. Существующие методы измерений и контроля ЧХ требуют непосредственного участия оператора в процессе измерений и обработки полученных результатов, что сопряжено с большими затратами рабочего времени, простоем исследуемых каналов, снижением точности, вследствие субъективности оценок.
Трудоемкость процесса построения многоточечных частотных зависимостей остаточного затухания (03) и ГВП и их сравнения с нормами при отсутствии средств автоматического контроля обусловливает трудность оперативного контроля этих параметров в условиях эксплуатации и, как следствие, наличие большого количества каналов со своевременно не выявленными отклонениями ЧХ от установленных норм.
Мало изучены специфические особенности измерений ЧХ в каналах систем передачи с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ),
развивающихся в настоящее время быстрыми темпами. Отсутствие строго обоснованных методов учета этих особенностей может привести к значительным погрешностям при измерениях и снижению достоверности при контроле.
Поэтому проблема исследования методов автоматизации измерений и контроля ЧХ каналов ТЧ и разработка научно обоснованных принципов построения соответствующей аппаратуры является весьма актуальной. Цель работы.
Основной целью диссертационной работы являются:
разработка и исследование принципов аппаратурной реализации устройств автоматических измерений и контроля ЧХ каналов ТЧ,
исследование специфических особенностей измерения параметров каналов в системе передачи с ИКМ,
разработка и экспериментальное исследование автоматических контрольно-измерительных устройств с заданными метрологическими характеристиками.
Научная новизна.
Исследованы особенности автоматического допускового контроля ЧХ каналов ТЧ, что позволило обосновать исходные требования к выбору структуры и метрологических характеристик автоматических контрольно-измерительных устройств при их разработке.
Разработаны и исследованы принципы построения аппаратуры для автоматических измерений и контроля ЧХ каналов ТЧ, отличающейся малым временем измерений и высокой достоверностью результатов контроля.
Исследован метод измерений ЧХ с одновременным вводом
измерительных сигналов и особенности его реализации при цифровом способе формирования и обработки сигналов. На программных моделях канала определены погрешности цифрового анализа ЧХ при сдвиге частоты в канале ТЧ и предложен способ их уменьшения.
Исследованы специфические особенности измерения параметров каналов в системах передачи с ШШ и предложены способы их учета при проведении измерений и разработке автоматической контрольно-измерительной аппаратуры. Практическая ценность.
Предложен ряд устройств для автоматических измерений и контроля ЧХ каналов ТЧ. Технические решения защищены авторскими свидетельствами на изобретение Щі 587632, 649143, 717809, 801274, 860325, 9460D3, 085955.
Применение разработанных принципов автоматических измерений и контроля ЧХ каналов ТЧ позволяет
уменьшить время контроля ЧХ каналов ТЧ;
заменить субъективную оценку оператора объективной оценкой прибора;
устранить погрешность результатов контроля из-за отсутствия жесткой связи между текущим значением частоты и соответствующими ей допусковыми значениями отклонения ЧХ при контроле с накладным шаблоном (погрешность масштабирования).
Результаты исследований могут быть полностью использованы при автоматизации измерений и контроля амплитудной характеристики (АХ) каналов ТЧ с помощью устройства, защищенного авторским свидетельством на изобретение N« 832739 [ 10].
Выработаны рекомендации по выбору частоты измерительного сигнала, способа его обработки и длительности измерений при
исследовании параметров каналов в системах передачи с ИКМ.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Диссертационная работа выполнена в процессе исследований по хоздоговорам, заключенным с ЦНИИС в течение 1975 ... 1984 годов в соответствии с указаниями ГНТУ МС СССР, в развитие ОКР "Кипарис" и по результатам НИР "Индекс", выполненных по Постановлению директивных органов от 5.05.75 г.
Основные теоретические выводы и практические результаты диссертационной работы использованы в ЦНИИС при разработке "Панорамного измерителя каналов" (ПИК), предназначенного для автоматизированного измерения основных электрических параметров каналов ЕАСС на местной первичной сети связи. Опытные образцы ПИК прошли лабораторные испытания. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы равен 57,2 тыс.руб.
Кроме того, результаты исследования специфических особенностей измерения параметров каналов в системе передачи с ИКМ использованы в ЦНИИС в НИР "Разработка норм на электрические параметры каналов и сетевых трактов при использовании аналоговых и цифровых систем передачи" (шифр "Норма").
Рекомендации по выбору частоты измерительного сигнала, способа его обработки и длительности измерений при эксплуатационных измерениях параметров каналов ТЧ в системах передачи с ИКМ использованы в Одесском филиале Центрального конструкторского бюро Министерства связи СССР при разработке серийно выпускаемого в настоящее время переносного эксплуатационного измерителя ПЭИ-С-2, предназначенного для измерения параметров каналов ТЧ систем передачи с ИКМ типа ИКМ-І2М и ИКМ-І5 в про-
14 цессе эксплуатационного обслуживания на предприятиях сельской телефонной связи. При годовом выпуске приборов 500 штук экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 24,48 тысяч рублей.
Результаты диссертационной работы используются также в учебном процессе на кафедрах "Измерения в технике связи" и "Многоканальная электросвязь" Ташкентского электротехнического института связи.
Документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы, приведены в приложениях к диссертации.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции, посвященной 30-летию Победы Советского Союза в Великой Отечественной войне (Ташкент, апрель 1975 г.), Республиканском семинаре "Метрологическое обеспечение и измерения в цифровых системах передачи" (Одесса, март 1976 г.), Республиканском семинаре - совещании "Меры по улучшению качества и повышения эффективности работы ГТС и МГС" (Ташкент, декабрь 1977 г.), Республиканской научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Ташкент, апрель 1978 г.), Республиканском семинаре "Статистические измерения в каналах передачи данных" (Киев, июнь 1978 г.), Третьем научно-техническом симпозиуме по совершенствованию систем связи с цифровыми методами модуляции (Ленинград, ноябрь 1979 г.), Республиканской научно-технической конференции "Некоторые проблемы фундаментальных и прикладных наук в условиях научно-технической революции" (Ташкент, май 1980 г.), Республиканской научно-техни-
15 ческой конференции "Проблемы повышения эффективности и надежности систем связи" (Ташкент, апрель 1981 г.), Республиканской научно-технической конференции "Вопросы построения сетей связи, устройств обработки информации и проблем внедрения НОТ в отрасли связи республики" (Ташкент, май 1982 г.), научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Ташкент, апрель 1983 г.), а также на заседаниях секции "Измерительная техника" научно-технического совета ЦНИИС (1982, 1984 гг.).
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в двадцати двух работах, из них восемь авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 147 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 38 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 117 наименований и 8 приложений на 54 страницах.
Основные положения, представляемые к защите:
перспективность разработки устройств автоматических измерений и контроля ЧХ каналов ТЧ с использованием прямых методов зондирования канала: частотного метода и метода, использующего однозначную связь между свойствами систем во временной и частотной областях;
необходимость учета специфических особенностей измерения параметров каналов в системах передачи с ИКМ при выборе
частоты и способа обработки измерительного сигнала, а также длительности измерений;
выбор принципа построения контрольно-измерительной аппаратуры при удовлетворении требований к длительности измерений, точности и достоверности результатов измерений и контроля ЧХ каналов ТЧ;
улучшение метрологических характеристик измерителей ЧХ, реализующих частотный метод зондирования канала, заменой непрерывного изменения частоты измерительного сигнала дискретным;
достижение минимальной длительности измерений и простоты аппаратурной реализации при применении метода измерений ЧХ с одновременным вводом измерительных сигналов и использовании цифровых способов их формирования и обработки.
I. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛОВ ТЧ В настоящее время известен целый ряд методов исследования каналов и большое количество разновидностей их аппаратурного исполнения.
При анализе существующих методов измерений и контроля частотных характеристик каналов ТЧ принята классификация по принципам математической обработки выходных сигналов канала для определения его параметров. Поэтому все известные методы представляется целесообразным разделить на три класса [88] :
