Введение к работе
Объектом исследования являются: алгоритмы анализа качества дискретного канала связи (КС), математическая модель дискретного сигнала с аддитивными помехами КС, статистические и вероятностные свойства среднеквад-ратических потерь достоверности сигнала, транслируемого по зашумленному КС, имитационное моделирование помех КС, тестовые сигналы для выявления ошибок в кодовых векторах, алгоритмы восстановления искажений и коррекции сигналов.
Предметом исследования являются анализаторы качества КС, пороговые демодуляторы и сумматоры, генератор и-связной марковской последовательности, искажения двоичных символов и пропаданий импульсов тактовой синхронизации, аппаратура и оборудование для натурного моделирования процесса помех, псевдослучайные М-последовательности, таблицы зависимости количества ошибок от зоны записи на носителе цифрового магнитного регистратора (ЦМР).
Актуальность темы. В современных информационно-измерительных системах (ИИС) широко применяются цифровые методы обработки сигналов и используются различные каналы передачи информации. В ряде случаев, например, при передаче на большие расстояния информации об измерениях в скважинах, тракт передачи включает в себя непрерывный, дискретный и цифровой каналы. Конечная обработка информации об измерениях производится в цифровом виде. Поэтому помехи и ошибки, возникшие в непрерывном и дискретном каналах связи проявляются в цифровом канале. В работах различных авторов показано, что независимо от своей природы ошибки в цифровом канале могут быть представлены в виде трансформации двоичного кодового вектора. Для учета большего числа ошибок, возникающих в процессе непосредственного измерения, преобразования, записи и воспроизведения, передачи по КС, необходимо располагать математическими моделями всех этих процессов. Эти модели должны позволять вычислять вероятность ошибки двоичного символа на выходе дискретного, а следовательно, на входе цифрового КС.
В целях получения оценки потерь достоверности дискретного сигнала необходимо принимать во внимание такие модели сигналов, которые бы учитывали воздействие на транслируемый по КС сигнал как детерминированных, так и случайных помех. При этом большой интерес представляет получение значений среднего потерь через дисперсии помех, а дисперсии через корреляционную функцию и спектральную плотность помех. Для инженерных расчетов характеристик КС весьма целесообразно иметь для дисперсии и распределения потерь сравнительно простые оценки сверху через дисперсии и интервалы корреляции помех, а также удобные для практического применения выражения для исследования асимптотики дисперсии и распределения потерь достоверности сигналов при их неограниченно возрастающем времени передачи.
Средством прямого установления искажений транслируемых сигналов является непосредственное измерение показателей, характеризующих помехо-вую обстановку в КС ИИС, таких как параметры краевых искажений, дробле-
ний, ошибок тактовой синхронизации, требующим значительных аппаратурных затрат. Однако значительные временные задержки, возникающие при работе алгоритмов измерителя, делают результат измерения в момент использования недостоверным.
Для реализации функции анализа качества КС удобно воспользоваться информационными методами, которые сравнительно легко реализовать программными средствами. Поэтому для оценки помеховой обстановки используется сравнение реального веса определенного числа принятых кодовых посылок с априорным значением веса. Известны анализаторы качества КС, построенные на этом принципе. Точность измерения ошибок КС с помощью таких анализаторов определяется длиной выборки измерения при некоррелированных отсчетах. Кроме того, с ростом объема выборки растет и время реакции анализаторов на изменение помеховой обстановки в канале. Анализ известных анализаторов показал, что они не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ИИС.
Цель работы-проведение комплексных исследований, направленных на получение научно обоснованных технических и методических решений, способствующих созданию анализаторов контроля качества дискретного КС, получению статистических и вероятностных оценок среднеквадратических ошибок многомерных сигналов после трансляции их по КС, разработке методики имитационного моделирования тестовых сигналов для выявления ошибок в двоичных символах и восстановления искаженных разрядов кодовых векторов, а также обеспечение возможности получения спектральной плотности потерь достоверности сигнала, зарегистрированного в условиях натурного моделирования процессов помех.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
создать анализаторы качества КС с повышенной точностью контроля; получить критерии их точностных характеристик и определить оптимальные уровни порогов демодуляторов для управления степенью точности контроля; разработать имитатор для моделирования процесса помех в КС на основе метода запоминания знаков приращений случайного процесса за определенное количество предшествующих шагов;
построить математическую модель дискретного сигнала с учетом аддитивных многомерных случайных помех, налагающихся на него при передаче по КС; определить оценки для среднего и дисперсии, а также установить пригодные для доверительных интервалов оценки сверху для вероятностей, что потери достоверности сигнала превысят заданный уровень, исследовать асимптотику экспоненциальных оценок распределения изучаемых потерь при неограниченно возрастающей длительности трансляции сигнала по КС;
создать методику имитационного моделирования процесса помех для воздействия их на аппаратурное обеспечение приема-передачи и регистрации дискретных сигналов КС для локализации дефектных узлов; разработать вид тестовых сигналов, сообразующихся с количеством разрядов, длительностью и
плотностью передаваемой информации, позволяющих определять количество искажений нулей и единиц, а также пропаданий синхроимпульсов;
разработать алгоритмы восстановления искаженного тестового сигнала, включающего процедуры определения процесса ошибок и оптимизации расстановки измененных двоичных символов; провести анализ процесса ошибок по статистическим оценкам, исследовать спектральные плотности и относительные вероятности появления ошибок в различных разрядах кодовых векторов.
создать и внедрить оригинальные устройства контроля качества КС, а также технические, алгоритмические и программные средства для имитационного моделирования помех, имеющих место в КС при передаче дискретного сигнала, нахождения искажений этого сигнала, и его восстановления.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Теоретические исследования основаны на использовании методов теории функций, теории вероятностей и математической статистики, в частности, методов предельных теорем вероятностей и методов статистического анализа стационарных случайных процессов.
При проектировании анализаторов и определении ошибок в кодовых векторах сигналов использовались теоретические основы радиоэлектроники и информационной техники, теория кодирования информации и основы вычислительной техники.
Для определения оценок параметров гипотетического распределения ошибок использован метод моментов.
Экспериментальные исследования базируются на имитационном моделировании процесса помех путем проведения натурных испытаний регистрации дискретных сигналов с помощью ЦМР в условиях воздействия на него возмущений, имеющих априорно заданные законы. Обработка полученных результатов проводилась с привлечением аппарата математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами технической диагностики анализаторов качества КС и имитатора случайных сигналов.
Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях функционального анализа, теории вероятностей и случайных функций, а также теории статистической радиотехники и информатики.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных контрольно-диагностических средств точности записи-воспроизведения дискретных сигналов, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся результаты исследований по созданию алгоритмических средств и математического аппарата для оценки потерь достоверности сигналов в дискретном КС цифровой информационной системы (ЦИС), в том числе:
структурные электрические схемы оригинальных устройств, реализующие алгоритмы оценки влияния помех на достоверность транслируемого по дискретному КС сигнала, а также принцип имитации дискретных сигналов для изучения технических характеристик исследуемых КС;
формулирование на математическом языке достаточных условий на случайные помехи, при которых возможно удовлетворительно описать вероятностные свойства оценок потерь достоверности сигналов в дискретном КС; обеспечение возможности количественного описания среднеквадратических потерь достоверности, построения для них доверительных интервалов;
методика имитационного моделирования процесса помех, воздействующих на цифровой магнитный регистратор (ЦМР), являющийся составной частью аппаратурного обеспечения функционирования дискретного КС; реализация возможности полного определения искажения цифровой информации путем использования тестового сигнала в виде чередования кодовых последовательностей возрастающих и убывающих чисел;
разработка алгоритма восстановления искаженного контрольного сигнала, анализ процесса ошибок по статистическим оценкам; применение непараметрических методов для получения спектральной плотности базового процесса ошибок.
- Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными комплексными исследованиями, направленными на достижение научно обоснованных математических и технических решений, способствующих получению оценок потерь достоверности сигналов в дискретном КС и разработке алгоритмов контроля качества КС и восстановления искажений двоичных символов в транслируемом сигнале, в ходе которых:
- разработаны оригинальные анализаторы качества КС; повышена точ
ность контроля КС за счет оптимального управления порогами демодулятора,
симметрирования шумовой последовательности и экстраполяции самого КС;
получены расчетные соотношения для оценки точности контроля; точность из
мерения ошибок КС с помощью таких анализаторов поставлена в соответствие
с длиной выборки измерения при некоррелированных отсчетах; для оценки по-
меховой обстановки использован принцип сравнение реального веса опреде
ленного числа принятых кодовых посылок с априорным значением веса;
- предложена математическая модель дискретного сигнала, подверженного воздействию аддитивных многомерных случайных помех, представляющих собой сумму нескольких неслучайных и не затухающих во времени колебаний и сравнительно хорошо перемешанного во времени стационарного случайного процесса; определена оценка потерь достоверности дискретного сигнала как количественная характеристика качества КС;
- получены формулы для среднего по количеству отсчетов взвешенной суммы квадратов разностей г- мерного дискретного сигнала на входе и выходе КС; выведены точные и асимптотические формулы для дисперсии величины потерь достоверности сигнала, установлен ряд ее оценок сверху через ограничивающие помехи константы, матрицу ковариации помех, интервалы корреля-
ции и продолжительность передачи сигнала; установлены экспоненциальные оценки сверху для вероятности, что величина потерь достоверности сигнала превысит заданный уровень;
- разработана методика имитационного моделирования процесса помех, предложены два вида тестовых сигналов: с чередующимися нулями и единицами и на основе псевдослучайных М-последовательностей; создан алгоритм, включающий нахождение процесса ошибок, восстановление искаженного сигнала и достижение оптимума коррекции сигнала; получены ошибко-частотные характеристики и относительные вероятности появления ошибок по разрядам кодовых векторов в результате воздействия помех.
Практическая ценность работы. Созданные в работе алгоритмы, программы, методические и технические средства использованы при создании и функционировании автоматизированной ИИС для геофизических исследований скважин (ГНС).
Техническая новизна анализаторов качества КС и имитаторов процессов, происходящих в КС, защищена 11 авторскими свидетельствами СССР.
Результаты диссертации были использованы при создании, отработке и промышленной эксплуатации компьютеризированной ИИС ГИС.
Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных НИР, проводимых ИжГТУ.
Практическую ценность работы добавляет то, что получена возможность количественного описания потерь достоверности дискретных сигналов, в частности, строить для них доверительные интервалы, т.е. можно указывать насколько достоверен тот или иной сигнал. Из результатов работы видно, какие помехи и как влияют на вероятностные свойства потерь достоверности сигналов.
Реализация работы в производственных условиях. Полученные результаты использованы при проведении ГИС в ОАО «Удмуртгеология». При непосредственном участии автора разработана и апробирована методика передачи каротажных данных по КС.
Результаты диссертации могут быть использованы в практике работы предприятий, занимающихся передачей больших массивов информации по дискретным КС, используемым как составная часть ЦИС.
Общий экономический эффект от внедрения диссертационной работы и вклада ее автора в создание автоматизированной ИИС ГИС, рассчитанный в ценах. 1991 года, составляет 54 тыс. рублей.
Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-практической конференции "Молодежь Удмуртии - ускорению научно-технического прогресса" (Устинов, 1985); Зональной конференции «Методы прогнозирования надежности проектируемых РЭА и ЭВА» (Пенза, 1987), Научно-технической конференции (Ижевский дом техники НТО, Ижевск, 1988, Всесоюзной научно-технической конференции "Конструктивно-технологическое обеспечение качества микро- и радиоэлектронной аппаратуры при проектировании и в производстве" (Ижевск,
1988), Научно-технической школе ВНТО РЭС им. А.С.Попова (Секция радиоприемных устройств и усилителей, Москва, 1988), 32 Научно-технической конференции ИжГТУ (Ижевск, 2000); Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск,
:ооо).
Публикации. Результаты работы отражены в 26 научных публикациях: 3 статьях в трудах международной конференции, в 8 печатных работах, 11 авторских свидетельствах СССР, 4 тезисах научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 157 с. машинописного текста. В работу включены 29 рис., 14 табл., список литературы из 159 наименований и приложения, в котором представлен акт об использовании результатов работы.