Введение к работе
Актуальность проблемы. В различных областях народного хозяйства: промышленности, связи, на- железнодорожном и воздушном транспорте, учебных заведениях, медицине и т. п.- с успехом применяются телевизионные комплексы, в которых по линиям связи (сейчас в основном коаксиальным) между отдельными, разнесенными в пространстве частями комплекса осуществляется двухсторонний информационный обмен несколькими телевизионными сигналами, сигналами служебной связи, синхронизации, телеуправления и телеметрии, а также дистанционного питания. Среди них можно назвать репортажные комплексы вещательного телевидения, замкнутые комплексы промышленного телевидения, комплекс информационного обмена и отображения информации в центре управления полетов космонавтов, интерактивные комплексы кабельного телевидения и т. д. В настоящее время происходит резкий скачок в расширении областей применения пространственно разнесенных ТБ-ксмплексов в связи с появлением волоконно-оптических линий связи <.В0ЛС), которые обладают рядом существенных преимуществ перед коаксиальными линиями. Мощным стимулом для интенсивного внедрения ТВ-комплексов в народное хозяйство страны являются потребности в значительном увеличении числа автоматизированных и роботизированных комплексов, "безлюдных", технологических процессов и т.п.
Эффективность рассматриваемых ТВ-комплексов в значительной мере определяется эффективностью построения и качественными показателями двухсторонних систем информационного обмена (СИО), которые представляют собой специфический вид многоканальных телевизионных систем передачи. Ограниченность числа линий связи (зачастую одна) заставляет применять одновременно различные комбинации методов уплотнения, кодирования, модуляции, способов обработки на приеме и т.п.,что обусловливает .большое число возможных вариантов построения СИО. Первае теоретические исследования и практические разработки в области СИО. которые проводились в СССР, инициировались потребностями в создании конкурентноспособннх репортажных комплексов вещательного телевидения. В них передача сигналов от переносной ТВ-каморы к автобусу и обратно осуществлялась по одной линии связи - однопарному коаксиальному кабелю. Эти работы проводились в 1972-76г.г.силами специалистов Минского радиотехнического института (М?Тй) и ВНИИ телевидения и радиовещания (г.Москва) , затем к чим присоединились разработчики телевизионных коми-
лексов ВНИИ телевидения (г. Ленинград). С 1979г. в этих коллективах начались исследования и разработки телевизионных СИО на основе волоконно-оптических линий связи, специфика которых заставила существенным образом изменить прежние структурные решения.
Достижения в области СИО комплексов вещательного телевидения стимулировали соответствующие разработки и в комплексах про-мшленного телевидения, где внедрение СИО на основе однолардого коаксиального кабеля упростило монтаж и прокладку соединительной линии, расширило возможности размещения ТВ-камер в труднодоступных местах. В отих разработках участвовали коллективы МРТИ, ВНИИТ и НИИ промышленного телевидения "Растр" (г.Новгород).
Аналогичные работы широким фронтом велись и за рубежом. Как правило, они опережали отечественные разработки, поскольку опирались на сложившуюся в этих странах структуру международного обмена и более высокий уровень элементной микроэлектронной базы. "Закрытый" характер советского рынка и соображения престижности не позволяли откровенно копировать зарубежные образцы.К тому хе в шостраішой литературе описания СИО имели, как правичо, рекламный характер, без обоснования структуры СИО, методов уплотнения, анализа характерных искажений и взаимных помех, не говоря уже о методике расчета параметров СИО, обеспечивающих требуемое качество передачи. В то же время многовариантность построения СИО, действующих при различных ограничениях физического (например, массы, энергопотребления, типа линии связи и т. п.), экономического (например, стоимости самой аппаратуры и ее эксплуатации) и патентно-правового характера, свидетельствует о возможностях оптимального построения СИО с наилучшими (в оговоренном смысле) показателями.
Для реализации этих возможностей должна быть разработана формализованная методика синтеза подобных систем, алгоритм которой включает следующие процедуры: I.выбор представительного подмножества возможных вариантов построения системы; 2.анализ отих вариантов по определенной совокупности показателей качества; 3.принятие решения о наилучшем варианте. На первом этапе производится структурный синтез системы, который может быть осуществлен двумя путями- формализованным или овристическим. Характерным отличием СИС является необходимость одновременного учета большого ЧИСЛЕ разнородных показателей качества (достоверность передачї информации, стоимость, масса, габариты, надежность и т. п.), которые связаны друг с другом через "конфликтные" отношения-
улучшение одного показателя влечет за собой ухудшение другого. Это заставляет вводить в рассмотрение некий обобщенный показатель (критерий) эффективности, функционально связанный со всеми частными показателями. Формализованный структурный синтез систем по обобщенному критерию эффективности невозможно осуществить в рамках известных методов синтеза радиотехнических и оптических систем передачи, поэтому основним методом структурной оптимизации для СИО является перебор вариантов или "синтез через анализ".
Переборный алгоритм оптимизации в зависимости от назначения СИО требует создания своего представительного подмножества "нехудших" структурних решений создаваемых путем эвристического синтеза. Термин "нехудший" означает, что каждый из принятых к рассмотрению вариантов, сравниваемый попарно с любым другим из подмножества, превосходит его хотя бы по одному частному показателю качества. Для анализа структур по выбранным показателям должны быть разработаны соотвегствущие математические модели и программное обеспечение, на основе которых проводится параметрический синтез и определяются наилучшие показатели данного варианта. Заключительным этапом синтеза СИО является расчет обобщенного критерия эффективности (КЭ) для всех "нехудших" вариантов и выбор того из них. который обеспечивает экстремум КЭ.
Объективной , предпосылкой диссертации являлись потребности народного хозяйства в дальнейшем совершенствовании имеющихся и разработке новых высокоэффективных систем информационного обмена для пространственно разнесенных ТВ-комплексов; необходимость создания теоретических основ, обеспечивающих синтез и оптимизацию подобшгх систем, и многолетний научно-технический опыт диссертанта по исследованиям и практическим разработкам нескольких поколений СИО для ТВ-комплексов различного назначения. Эти работы выполнялись по планам ряда министерств и ведомств, комплексним программам важнейших работ в области естественных и технических наук Академии наук и Госплана СССР (например, программы "Оптрон-?.". "Электроника-ОЗ", утвержденные постановлениями президиума АН БССР № 229 от 5.12.30 г. и Н 39 от 3.04.1986г.) . по планам госбюджетных НИР Минского радиотехнического института и т.п. Актуальность и важность проведеній этих рэбот подтверждается рекимепдащыми всесоюзных и республиканских конференций по телевизионной технике, по системам кабельного телевидения и кироксполосним волоконно-оптическим шформацшшш системам.
Постановка задачи диссертации относится к началу 70-х годов, когда объем знаний по проблеме синтеза систем информационного обмена для разнесенных ТВ- комплексов бкл еще ограничен, публикации касались только некоторнх частных вопросов, а обобщающие исследования практически отсутствовали. Среди основополагающих работ, относящихся к рассматриваемой тематике, необходимо отметить работы Л.С.Гуткина, Ю.Б.Окунева. А.В.Петрова. Д.С.Конторова, И.П.Норенко-ва, Б.А.Кузьмина и др.- по вопросам оптимизации технико- зкономи-ческих показателей информационных систем; А.М.Зингеренко. В.И.Си-форова. Я.Д.Ширмана, С.В.Бородича, Л.Я.Кантора, В.К.Маригодова и др.- по проблемам построения и анализа многоканальных систем передачи информации по проводным- и радиолиниям; М.И.Кривошеева, М.В. Антипина, Б.М.Певэнера, О.В.Гофайзена, Л. А. Се вальне ва, Г.Л.Глори-озова, Ю.Б.Зубарева- по вопросам анализа искажений ТВ-сигналов в канале передачи и нормирования характеристик сигналов и каналов; С.В. Но ваковского, И.И.Цуккермана, В.Е.Джаконии, Н.К.Игнатьева, Н.Г.Харатшвили, Р.Е.Быкова, Н.Н.Красильникова Л.Н.Щелованова, С.А.Сусловова и др.- по построению и анализу аналоговых и цифровых систем вещательного и прикладного телевидения.
Однако значительный круг задач, связанных с синтезом СИО для ТВ-комплексов, оставался полностью или частично нерешенным, поскольку требовалось обобщенное рассмотрение всех основных аспектов проблемы оптимизации СИО с учетом специфических ограничений.
Цель работы и задачи исследований.Целью диссертационной работы является решение комплексной научно-технической проблемы, включающей разработку методов построения, основ теории анализа и синтеза высокоэффективных систем информационного обмена по обобщенному критерию оффективности, создание таких систем и их внедрение в разнесенные телевизионные комплексы различного назначения. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи-
-
Разработать принципы построения и синтезировать структурные модели СИО, которые обеспечивают в условиях ограниченной пропускной способности физической линии связи многоканальный информационны! обмен между разнесенными частями телевизионных комплексов с улучшенными качественными показателями (малыми искажениями і межканальными помехами, уменьшенными габаритами и т.п.) и удовлетворяют требованиям телевизионного вещания.
-
Разработать метод расчета обобщенного критерия оффективности, позволяющий обосновать выбор структурной модели СИО, оптимально!
по совокупности показателей качества среди подмножества "нехудших" вариантов, в условиях, когда для ряда показателей отсутствуют формальные модели и уравнения связи между ними, а известны только отношения предпочтения.
-
Разработать математические модели (ММ) предложенных структур СИО для расчета основних показателей качества,таких как: отношение сигнал- взвешенный шум, отношение сигнал- межканальная помеха, линейные и нелинейние искажения, точность коррекции и др; эти ММ в совокупности с предложенным обобщенным критерием эффективности составляют теоретическую основу для синтеза СИО.
-
Разработать пакет прикладных программ для предложенных ММ и выполнить численные расчеты, позволяющие обосновать выбор оптимальных параметров и предельные значения основных показателей качества для выбранных структурных моделей СИО.
-
Разработать методы инженерного расчета основных качественных показателей для СИО по коаксиальным и волоконно-оптическим линиям связи в условиях обеспечения требований, характерных для телевизионного вещания.
-
Разработать и экспериментально исследовать основные блоки и устройства для реализации предложенных структур СЮ. а также произвести оценки точности разработанных ММ. описывающих эти блоки.
-
Создать новый класс высокоэффективных СИО. обеспечивающих в условиях ограниченного числа линий связи многоканальный информационный обмен между пространственно разнесенными частями телевизионного комплекса с улучшенными качественными показателями.
Методы исследований. Комплексность проблемы проектирования эффективных СИО вызывает необходимость применения разнообразных методов исследований: аналитических, моделирования на ЭВМ, экспериментальных испытаний макетов и опытных образцов, субъективной экспертизы отношений предпочтения. В [заботе использован математический, аппарат статистической теории связи, временные и частотные методы анализа элементов и устройств радиотехнических и оптических систем при детерминированных и случайных воздействиях, методы оценки качества телевизионных изображений.
Научная новизна юботн. Новыми научными результатами, полученными в диссертационной работе, являются следующие. I. Новые принципы построения и синтезированный на их основе новий класс структурных моделей ОТО. которые позволяют по одному коаксиальному или волоконно-оптическому кабелю обеспечить многоканальный
информационный обмен между пространственно разнесенными частями телевизионного комплекса с улучшенными качественными показателями.
2. Разработанный метод расчета обобщенного критерия эффективности
(КЭ)системы в условиях, когда для части показателей качества не
известны формальные модели и уравнения связи.
3. Разработанные математические модели предложенных структур СЙО для
аналитического расчета основных показателей качества, таких как:
отношение сигнал-взвешенный шум на видеовыходе в системах передачи нескольких телевизионных сигналов по одной коаксиальной или волоконно-оптической линий связи с помощью различных видов модуляции (непосредственно по видеочастоте, Ш. ЧМ. ЛМ-Ч7ЮШ. ЧИМ, ШШ, ФИМ, и т.п.) в условиях больших дисперсий направляющей среды, существенной неравномерности спектра шума на видеовыходе и использования разнообразных методов предыскажений, корректирования и адаптивного приема;
линейные и нелинейные искажения ТВ-сигнала на видеоыкоде системы при передаче по каналам с AM, АМ-ЧПОБП. и ЧМ,имеющим произвольные частотные характеристики неминимально-фазового типа, а также поля допусков временных и частотных характеристик каналов передачи и испытательных ТВ-сигналов различной формы;
отношение сигнад-межканальная помеха в системе передачи полного цветового ТВ-сигнала со звуковым сопровождением по каналам с ЧМ. в подсистемах передачи нескольких звуковых сигналов совместно с сигналами синхронизации и т.п; зти ММ в совокупности с разработанным методом расчета обобщенного КЭ образуют теоретическую основу для анализа и синтеза систем информационного обмена.
4. Разработанные инженерные методики расчета основных показателей
качества многоканальных СИО, базирующиеся на новых структурных и
математических моделях, в частности:
методика расчета отношения сигнал-взвешенный шум (ОСШо) в систе-1' ме передачи ТВ-сигнала в сокращенной (за счет перемежения спектров) полосе частот;
методика расчета линейных искажений демодулированного ТВ-сигнала при прохождении через канал передачи с Ш (ЧМ), имеющим произвольные частотные и фазовые характеристики;
методика расчета полей допуска частотных характеристик канала передачи модулированного ТВ-сигнала по полю допуска временных искажений модулирующего сигнала;
методика расчета ОСМв в системах передачи ТВ-сигнала по ВОЛС,
учитывающая существенную неравномерность спектра шума на видеовыходе для различных видов модуляции и вариантов построения фогопри-емных устройств и др.
5. Обоснованный на основании-численных расчетов, выполненных по предложенным методикам на ЭВМ, выбор режимов и параметров, которые обеспечивают экстремальные значения показателей качества СИО. 6.Созданный новый комплекс аппаратуры СИО, значительно превосходящий по своим показателям известные образцы.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
разработанк и защищены 16 авторскими свидетельствами различные варианты построения СИО и ее основных подсистем, которые превосходят известные по ряду показателей качества и расширяют подмножество "нехудших" вариантов, принимаемых во внимание при синтезе и анализе ОТО;
разработана методика расчета обобщенного показателя эффективности СИО С или подсистем СИО), которая пооволяег существенно сократить сроки и затраты на создание новых СИО за счет ускорения процедуры "отбраковки" менее эффективных вариантов; это достигается вследствие использования не только количественных показателей сравниваемых вариантов, которые зачастую неизвестны, но и отношений предпочтения;
разработаны математические модели, пакеты прикладных программ и инженерные методики расчета, которые, позволяют получить количественные оценки основных показателей качества конкурирующих проектных вариантов СИО, провести параметрическую оптимизацию СИО, а также оценить возможности "обменных" операций между различными показателями при изменении условий функционирования телевизионного комплекса; окспериментально подтверждено, что предложенные ММ обеспечивают высокую точность оценки показателей и позволяют во многих случаях (например, при разработке бесподстроечных корректоров и фильтров со сложными АЧХ на основе ПАВ) исключить физическое моделирование и экспериментальные исследования промежуточных вариантов, заменив их математическим моделированием, что сокращает стоимость и сроки разработок;
разработаны, экспериментально исследованы и защищены авторскими свидетельствами новые схемотехнические решения элементов СИО, которые превосходят известные по ряду показателей (например, теле-визионные модуляторы ЧИМ--.ЩШ- и ФШ-сигналов для ВОСП, фотопри-емнке устройства для многоканальных ТВ-систем с ЧМ-ЧГК и др.);
- предложенные и практически реализованные варианты построения основных подсистем СИО целесообразно применять не только при групповом внедрении, когда создается новий ТВ-комплекс, но и при частичной модернизации существующих.
Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены в разработках ряда предприятий и научно-исследовательских институтов: ВНИИ телевидения и радиовещания (г.Москва)- комплекс аппаратуры для репортажных станций черно-белого и цветного телевидения; НИИ промышленного телевидения (г.Новгород)- канала уплотнения для многокамерных комплексов промышленного телевидения; ВНИИ телевидения (г.Ленинград)- волоконно-оптическую телевизионные системы прикладного назначения; НПО "Горизонт" (г.Минск)- волоконно- оптические системы кабельного телевидения и др. Существенна} часть результатов работы внедрена в ряде госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых в МРТИ по комплексным программам АН БССР, союзных ведомств и министерств. Результаты теоретических исследований и методики инженерных расчетов внедрены в учебный процесс в Минском радиотехническом институте при изучении курсов 'Телевиде-дение и передача изображений'.', 'Телевидение", "Многоканальные системы передачи". Фактический годовой экономический эффект от внедрения результатов работ, подтвержденный соответствующими актами, составил более 800 тыс.руб.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на всесоюзных, региональных и республикансю научно-технических конференциях (НПО, в том числе на 29, ЗІ, Зі 38. 41 и 46-й всесоюзных научных сессиях ВНТОРЭС им. А.С.Попов; всесоюзных НТК по дальнейшему развитию и совершенствованию телев' дения в СССР (Легошград-1974, Вильнюе-1380, Львов-1984, Минск-19. С.їїетербург-1991); всесоюзных НТК; "Вопросы схемотехники, констр ирования, эксплуатации и контроля параметров телевизионных прие ников" (Мшск-1977), "Проблемы повышения эффективности и качест систем синхронизации" (Каунас- 1982). "Световодиш системы связї передачи информации" (Москва- 1984,1988). "Совершенствование т< нической базы, организации и планирования телевидения и радної щаиия" (Москва-1987)., "Применение лазеров в технологии и систеї передачи и обработки информации" (Таллинн-1987), "Развитие и вершенствоьание телевизионной техники" (Львов-1990), "Системы белыюго телевидения и их обслуживание" (Москва-1988, 1990); в союзных отраслевых НТК Госкомитета по телевидению и радиовеща
(Москва-1973. 1974, 1976, 1980. 1981. 1982) и др.
Ряд устройств и систем, выполненных по материалам диссертационной работы, экспонировались на 8 всесоюзных и республиканских виставках, в том числе: 4 экспоната на ВДЖ СССР ( два из них награждены серебряными медалями, один- бронзовой) , 4 экспоната на ВДЖ БОСР (все отмеченн почетнши дипломами), 6 экспонатов- на республиканских (БССР) выставках "Научно-техническое творчество молодежи" С все отмечены почетными дипломами).
Публикации. По основным материалам диссертации опубликовано 128 научных работ, в том числе 35 статей в журналах и сборниках, 60 тезисов докладов, 16 авторских свидетельств, 20 отчетов по НИР; часть материалов диссертации опубликована в 5-ти книгах - учебных пособиях для вузов и монографии "{Высокоэффективные системы информационного обмена для пространственно разнесенных телевизионных комплексов".
На защиту выносятся:
-
Новые принципы построения и синтезированный на их основе новый класс структурных моделей СТО. которые превосходят известные по ряду показателей качества.
-
Основы теории анализа и синтеза СИО по обобщенному критерию эффективности, включающие:
а) метод расчета обобщенного критерия эффективности СИО в условиях
отсутствия формальных моделей и уравнений связи для отдельных
показателей качества;
б) математические модели предложенных на основе синтеза структур
СИО для основных показателей качества, таких как:
отношение сигнал- взвешенный шум при многоканальной передаче ТВ-сигвачов по КК и ВОЛО с -помощью различных видов модуляции, предыскажений, корректирования и адаптивного приема;
линейные и нелинейные искажения демодулировавного ТВ-сигнала, возникающие при передаче по каналам с произвольными частотными характеристиками;
точность корректирования ЧХ каналов передачи и установление полей допуска частотных и временных характеристик;
отношение сигнал-переходная помеха при многоканальной передаче ТВ-, звуковых и служебных сигналов и др.
3. Инженерные методики расчета и пакеты прикладных программ, ори
ентированные на предложенные структурные и математические модели.
4. Результаты математического моделирования и обоснование
эффективности выбора оптимальных параметов структурных моделей по основным показателям качества.
5. Созданный на основе разработанной теории анализа и синтеза новый комплекс аппаратуры СИО и оценка его эффективности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит иэ введения. 7 глав, заключения, списка литературы и 20 приложений, содержащих акты внедрения результатов диссертационной работы в народное хозяйство и учебный процесс. Основной текст работы изложен на 307 машинописных страницах. Диссертация содержит 143 рисунка. 21 таблицу,список литературы,включающий 282 наименования.
