Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время возрастает потребность в передаче телеметрии и мониторинге удаленных социальных и промышленных объектов. Одним из способов передачи является использование радиосистем передачи извещений (РСПИ), которые обычно состоят из множества передатчиков объектовых устройств (ОУ) и приемника пункта центрального наблюдения (ПЦН).
По способу взаимодействия передатчиков ОУ с приемником ПЦН все РСПИ можно разделить на односторонние и двусторонние. Применение двусторонних систем позволяет повысить максимально допустимое количество объектов по сравнению с односторонними системами, однако при этом происходит усложнение системы и удорожание объектовых устройств. Преимуществом односторонних систем является конструктивная простота и дешевизна объектовых устройств. Приемник ПЦН односторонней РСПИ может быть выполнен с высокой степенью сложности, так как его вклад в стоимость РСПИ снижается при увеличении числа ОУ.
К асинхронно-адресному типу РСПИ с односторонним каналом связи относят такую аппаратуру, в которой в ОУ и, как правило, в ПЦН не известен момент формирования и передачи очередного извещения. Такие РСПИ обладают высокой гибкостью при построении системы - легко наращивается число ОУ, облегчается использование статистических свойств сообщений для повышения эффективности системы. Асинхронно-адресные РСПИ характеризуются наличием внутрисистемных помех - сигналов извещений соседних ОУ, поэтому наибольшей сложностью является минимизация вероятности коллизий (частотно-временного наложения) этих сигналов. Синхронно-адресные односторонние РСПИ позволяют избавиться от проблемы коллизий, однако для их построения требуются высокостабильные источники опорной частоты или часы реального времени с синхронизацией по спутниковому сигналу GPS/Глонасс, что значительно усложняет ОУ и как следствие увеличивает его стоимость.
По типу радиоканала РСПИ подразделяются на использующие выделенный диапазон частот (ВДЧ) и использующие нелицензируемый диапазон частот (НДЧ). В связи с ограниченностью радиочастотного ресурса, наличию больших временных и материальных затрат на получение разрешительных документов для использования выделенных диапазонов частот все большую актуальность приобретают РСПИ работающие в нелицензируемых диапазонах частот.
Прямой перенос принципов построения РСПИ выделенных диапазонов в нелицензируемые диапазоны невозможен, ввиду жестких ограничений, накладываемых Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) Министерства связи и массовых коммуникаций Российской федерации. Решения ГКРЧ значительно ограничивают максимально допустимую мощность передатчика, максимальный коэффициент усиления антенны, величину рабочего цикла и ширину полосы используемых частот. Кроме того, структура и интенсивность шумов и помех, присутствующих в радиоканале и оказывающих непосредственное влияние на надежность и качество связи в нелицензируемом диапазоне частот, сильно зависит от переменных (в том числе случайных) внешних факторов: времени года и суток, параметров застройки и ландшафта, паразитного излучения промышленных объектов, размера населенных пунктов и т. п. Эти факторы значительно усложняют задачу реализации РСПИ в нелицензируемом диапазоне частот и требуют проведения исследований с целью разработки эффективных способов формирования, передачи, приема и обработки сигнала извещения.
Односторонние асинхронно-адресные РСПИ, работающие в нелицензируемых диапазонах частот, имеют потенциальный экономический выигрыш по сравнению с остальными типами РСПИ и могут быть актуальны в системах охранно-пожарной сигнализации, телеметрии и мониторинга. Значительным сдерживающим фактором, ограничивающим применение таких РСПИ является недостаточный уровень исследований в этой области. Необходимо провести всесторонний анализ состояния проблемы, определить критерии оптимизации канала связи и разработать комплекс мер позволяющий создать одностороннюю асинхронно-адресную РСПИ нелицензируемого диапазона частот с высокими техническими и эксплуатационными параметрами.
Проблема построения асинхронно-адресных систем связи разрабатывается с 60-х годов прошлого века (Г. С. Эйдус, В. В. Марков, М. Д. Венедиктов). Большой вклад в развитие асинхронно-адресных РСПИ внесли Косарев С.А., Райгородский Ю. В., Шептовецкий А. Ю., (ООО «Альтоника»), Завьялов С. А. (000 «НТК «Интекс»). Отдельные вопросы рассмотрены в работах Кудряшова Д. А., Кокоревой В. А., Савичева В. А. Вопросы построения односторонних асинхронно-адресных РСПИ нелицензируемого диапазона частот недостаточно изучены и требуют всестороннего рассмотрения.
Цель диссертационной работы: теоретическое и экспериментальное обоснование рекомендаций для разработки односторонней асинхронно-
адресной РСПИ в нелицензируемом диапазоне частот.
Задачи диссертационной работы:
анализ ограничивающих факторов при построении РСПИ в нелицензируемом диапазоне частот;
оптимизация параметров сигнала извещения по критерию максимизации спектральной и энергетической эффективности при использовании нелинейных усилителей;
разработка способа передачи извещений односторонней асинхронно-адресной РСПИ нелицензируемого диапазона частот;
разработка и исследование способа восстановления тактовой и цикловой синхронизации принимаемого сигнала извещения;
практическая реализация и исследование опытного образца РСПИ.
Методы исследований. В работе использовались методы теории вероятностей и математической статистики, методы спектрального анализа. Проводились экспериментальные исследования на основе имитационного моделирования на ЭВМ. Разработанные теоретическим и имитационным путем методы реализованы в опытных образцах устройств, основные параметры которых проверены в ходе практических экспериментов.
Научная новизна. В процессе исследований получены следующие научные результаты:
развит способ субоптимального некогерентного восстановления тактовой и цикловой синхронизации и получены зависимости вероятностей ложного обнаружения и пропуска синхропосылки от значения порога для различных соотношений сигнал/шум и типов синхропосылки при использовании гауссовской частотной манипуляции;
разработан новый способ передачи извещений для односторонней асинхронно-адресной РСПИ нелицензируемого диапазона частот.
Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием математического аппарата при построении имитационных моделей, отсутствием противоречия между полученными результатами и выводами исследований, описанных в научной литературе. Также достоверность подтверждена экспериментальными исследованиями, проведенными на метрологически аттестованной аппаратуре (Rohde&Schwartz FSQ, Rohde&Schwartz SMJIOOA) НОЦ «Радиоэлектроники и приборостроения»
ГОУ ВПО Омский государственный технический университет.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработаны практические рекомендации по построению передатчика ОУ: выбору вида модуляции, обеспечивающего максимизацию спектральной и энергетической эффективности при использовании нелинейных усилителей мощности, выбору недорогой эффективной схемы формирования модуляции;
разработаны практические рекомендации по выбору величины порога, длины и типа синхропосылки для субоптимального некогерентного способа восстановления тактовой и цикловой синхронизации;
проведены экспериментальные исследования опытных образцов приемника ПЦН и передатчика ОУ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
результаты исследования влияния значения порога на вероятностные характеристики субоптимального некогерентного способа восстановления тактовой и цикловой синхронизации при различных соотношениях сигнал/шум в канале связи и типах синхропосылки при использовании гауссовской частотной манипуляции;
способ передачи извещений для односторонней асинхронно-адресной РСПИ нелицензируемого диапазона частот.
Апробация результатов диссертации. Материалы и основные результаты диссертационной работы опубликованы в трех статьях научных изданий («Омский научный вестник», «Ползуновский вестник»), включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, обсуждались на 9-й международной конференции по обработке сигналов ICSP2008 (г. Пекин, Китай, 2008), 16-й международной конференции по цифровой обработке сигналов DSP2009 (о-в Санторини, Греция, 2009), 10-й международной конференции аспирантов по системам и управлению PhDWS2009, (г. Глубока-над-Влтавой, Чехия, 2009), 6-й и 7-й международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2007, 2009 гг.), 10-й и 11-й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Институт проблем управления РАН, г. Москва, 2008-2009 гг.), 6-й всероссийской научно-практической конференции «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2008), 1-й и 2-й всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая:
Передовые технологии - в промышленность» (г. Омск, 2008-2009 гг.), региональных научно-практических конференциях «Наука, образование, бизнес» (г. Омск, 2008-2010 гг.) и других.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, из них 3 статьи в научных изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, 3 доклада на английском языке в трудах зарубежных международных конференций, 5 докладов на русском языке в трудах международных конференций, 5 докладов в материалах всероссийских конференций, 5 докладов и 6 тезисов докладов в материалах региональных конференций, один патент на изобретение, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 3 глав, введения, заключения, списка литературы из 124 наименований, 6 приложений и содержит 148 страниц основного текста, 58 рисунков, 5 таблиц.
