Главная    |    Магистерская работа    |    Электронная библиотека    |    Ссылки    |    Результаты поиска

Автореферат
для магистерской работы на тему:
"Исследование и разработка методов спектрального оценивания сигналов для решения задач телекоммуникационных систем".
Хмелевого Олега Владимировича

         Переход к цифровым методам передачи и коммутации помимо преимуществ, обусловленных новыми технологиями связи, вызвал множество проблем, специфически связанных с принципами передачи сигналов в цифровом виде, одной из таких является проблема синхронизации. Среди параметров, которые характеризуют сигнал синхронизации можно выделить джиттер и вандер. Данное исследование направлено на разработку методик оценки качества синхросигнала (измерение джиттера и вандера сигнала) используя оборудование HP и нестандартные методы спектрального оценивания.

Подробнее об исследовании можно прочитать в публикациях:
• Исследование эффективности неклассических методов спектрального оценивания примени-тельно к задаче анализа коротких реализаций узкополосного сигнала в гауссовом шуме.
• Разработка методики измерения джиттера

         Цели и задачи исследования

         Научная новизна

         Краткая характеристика объекта исследования

         Полученные результаты и дальнейшие направления исследований

         Цели и задачи исследования

         Магистерская работа направлена на исследование возможности применения нестандартных методов спектрального оценивания применительно к задаче анализа джиттера синхросигнала. Для определения причины возникновения джиттера сигнала, возникает необходимость в спектральном оценивании коротких реализаций узкополосных процессов. Малая длина отрезка реализации процесса, где могут быть соблюдены условия стационарности в широком смысле, не позволяют добиться требуемого разрешения по частоте при необходимом соотношении сигнал/шум. Во многих случаях решения проблемы можно достичь используя неклассические методы оценивания спектральной плотности мощности (СПМ) исследуемого сигнала.

         Известные неклассические методы спектрального оценивания позволяют решить рассматриваемую задачу, однако требуют индивидуального подхода в выборе методов и порядка модели. Если порядок модели выбран слишком малым, пики в оценочных спектрах оказываются сглаженными, что снижает точность определения частоты, если же слишком большим – то разрешающая способность СПМ возрастает, но в спектре появляются ложные компоненты, которых нет в реальном сигнале

         Одним из направления исследований является обосновании выбора метода спектрального оценивания и определении оптимального порядка модели применительно к задаче выявления диагностических параметров из рассматриваемого узкополосного сигнала

         В процессе магистерских исследований ведется работа по изучению и определению джиттера при условии использования аппаратуры HP=5372. Данная аппаратура позволяет измерять частоту, период, фазу, относительную частоту и фазу сигнала (сигналов). Пределы измерений - до 500мГц в обычном режиме, и до 2ГГц в быстром режиме измерений. Так же прибор позволяет производить измерения с множеством различных вариантов запуска начала измерений: автоматический запуск, ручной запуск, использование внешнего сигнала для запуска и т.д.

         Научная новизна:

         Предложенная методика ранее не рассматривалась и не исследовалась в научных работах, поэтому исследование возможностей (положительных сторон и недостатков) методики оценки является необходимым. Учитывая преимущества нестандартных методов спектрального оценивания, данная методика может показать хорошие результаты в поставленной задаче.

         Краткая характеристика объекта исследования

         Джиттером или фазовым дрожанием называется явление фазовой модуляции принимаемого сигнала (как аналогового, так и цифрового). На практике получили распространение два основных подхода к определению джиттера - в терминах фазы и в терминах частоты. Учитывая, что параметры частоты и фазы связаны простым соотношением и однозначно определяют друг друга, оба подхода эквивалентны. Для целей практического измерения джиттер представляется как изменение частоты принимаемого сигнала. В этом случае основными параметрами джиттера становятся его амплитуда и частота.         

Различают два типа изменений частоты:
• быстрые колебания частоты, характеризующиеся fd > 10 Гц и получившие название собственно джиттера;
• медленные колебания частоты с fd < 10 Гц. получившие название вандера.

         Необходимость разделения девиации частоты на джиттер и вандер связана с тем, что эти два параметра обычно возникают вследствие разных причин и по разному влияют на параметры качества цифровой передачи. Получила распространение практика измерения амплитуды джиттера в единицах времени абсолютных (обычно, в микросекундах) или в приведенных единицах - единичных интервалах (Unit Interval ~ UI) Единичным интервалом называется время, необходимое для передачи одного бита информации при заданной скорости передачи.

         Различают регулярный и нерегулярный джиттер. В случае постоянного (регулярного) джиттера, обусловленного обычно процессами мультиплексирования и регенерации, его влияние предсказуемо, носит аддитивный характер и компенсируется регенераторами и мультиплексорами. Нерегулярный (случайный) джиттер не может быть скомпенсирован и рассматривается как аддитивный шум. Исследования показали связь джиттера с тепловыми шумами и возможность накопления по мощности в составном цифровом канале Наиболее существенным считается процесс накопления регулярного джиттера, поскольку регулярный джиттер аккумулируется быстрее нерегулярного.

При передаче данных в цифровой форме джиттер, непосредственно связанный с нарушениями в синхронизации цифрового потока, приводит к двум эффектам:
• В процессе регенерации, нарушения в синхронизации приводят к отклонению точек считывания дискретов от центра глазковой диаграммы В результате, снижается пороговый уровень работы по шумам что приводит к появлению битовых ошибок.
• На выходе асинхронных мультиплексоров наличие джиттера в системе синхронизации может привести к переполнению эластичных буферов и проскальзываниям с потерями цикловой синхронизации, что приводит к значительной деградации качества связи. Обычно проскальзывания вызываются вандером.

         Регулярный (системный) джиттер обычно коррелирован с передаваемыми последовательностями битов. Поскольку задержки при передаче сигналов в скремблерах и кодерах обычно зависят от типа принимаемой/передаваемой последовательности процессы в мультиплексорах и регенераторах могут вызывать регулярный джиттер. Второй причиной возникновения регулярного джиттера могут быть нарушения в канале передачи, в частности связанные с наличием перекрестных помех, которые также вносят регулярный, коррелированный с последовательностями битов джиттер. Обычно регулярный джиттер в этом случае возникает при неправильной работе эквалайзеров или нарушениях в настройке цепей восстановления данных и характерен в большей степени для радиочастотных систем передачи.

         Нерегулярный джиттер обычно обусловлен электромагнитным воздействием и интерференцией с внешними источниками сигнала, такими как шум, отражения, перекрестные помехи или интерференция с цепями литания и другими источниками ЭМП. В этом случае обычно спектр сигнала дает информацию об источнике интерферирующего сигнала.

         Кроме перечисленных причин возникновения джиттера в системах связи, имеется ряд причин непосредственно связанных с технологией цифровых телекоммуникаций. Такой джиттер возникает из-за алгоритмов, реализованных в цифровых системах передачи. Соответственно, такой джиггер является алгоритмическим

         Одним из эффектов накопленного в составной системе передачи джиттера является то, что его воздействие на параметры системы передачи могут не проявляться в течении долгого времени. В результате небольшое увеличение джиттера или изменение другого параметра деградации качества приводит к резкому ухудшению параметров качества.

         Рассматривая общую методологию измерений джиттера, необходимо отметить, что она до сих пор не установилась. Джиттер измеряется как пиковая величина отклонения фазы (частоты), приведенная к длине периода передачи данных. Для точного измерения джиттера необходимо точно определить ширину полосы измерений. В противном случае невозможно оценить влияние джиттера на параметры системы передачи

         Наиболее естественным способом организации измерений джиттера считать спектральный анализ джиттера с использованием частотно - селективного приемника. Однако такой метод не нашел распространения в практике эксплуатационных измерений, гак как его реализация в приборах оказалась слишком дорогой В настоящее время метод спектрального анализа используется в нескольких измерительных системах для лабораторного анализа джиттера.

         В практике эксплуатационных измерений получила распространение методология, состоящая из двух измерений, различающихся используемыми фильтрами – нижних и верхних частот джиттера. Этот метод измерений дает меньше информации о джиттере, чем спектральный анализ джиттера, однако он позволяет получить важные результаты и экономически более эффективен.

         Для измерения джиттера используется опорный фазостабильный сигнал. Для его; первичной обработки в состав анализатора включена медленная петля ФАПЧ Зависимость параметра джиттера от времени получается путем простого сравнения фаз двух сигналов. Полученная информация фильтруется либо находится спектр сигнала.

         Полученные результаты и дальнейшие направления исследований

         Исследования выполнялись в два этапа. Первый этап посвящен исследованию общих свойств методов для предварительного выбора метода применительно к конкретной инженерной задаче. Эта часть экспериментов включает исследование спектральных оценок бигармонического сигнала в гауссовом шуме.

         В процессе исследования производились оценки СПМ реализации бигармони-ческого сигнала при использовании различных методов спектрального оценивания различных порядков моделей. Как показатели качества для оценки СПМ использовались соотношение сигнал-шум после обработки, погрешность оценивания частоты и уровня гармонических компонент сигнала, наличия паразитных компонент в оцененном спектре, устойчивость оценки. Были рассмотрены следующие неклассические методы спектрального оценивания: метод Бурга, ковариационный метод, модифицированный ковариационный метод, метод максимальной энтропии, метод оценивания частоты, основанный на анализе собственных значений (Multiple Signal Classification MUSIC).

         Для сопоставления полученных оценок с результатами, полученными с помощью классических методов, использовался также периодограмный метод реализованный на основании быстрого преобразования Фурье. На рассмотренном этапе исследования в качестве тестового использовался сигнал в виде суммы двух синусоид и белого шума, заданный m отсчетами. Количество отсчетов выбиралось m=32, 64, 128. Уровень спектральной плотности мощности Гауссового белого шума выбирался из условия обеспечения соотношения сигнал/шум 10дБ.

В результате обработки тестовых последовательностей установлены их следующие свойства методов:
• При малой длине реализации m=32 (см. рис 1,2), низком соотношении сигнал/шум, и порядке модели 10-16 наиболее эффективен метод Берга и модифицированный ковариационный метод. Метод Берга, однако, уступает последнему в точности оценки частоты гармонических компонент однако менее склонен к генерации паразитных компонент и имеет лучшее разрешение по частоте при малом соотношении сигнал/шум. Остальные рассмотренные методы оценивания СПМ удовлетворительного результата не показали.
• При увеличении длины реализации до m=64 и томже порядке модели, эффективность ковариационного и модифицированного ковариационного методов повышается даже при условии меньшего соотношения сигнал/ шум, приближаясь к методу Берга, однако они дают большую точность по частоте. Но, наилучший результат показывает метод MUSIC. Важно, что данный метод показывает хороший результат при более низком порядке модели. Классические же методы в данном случае показывают результат соизмеримый с неклассическими методами.
• При увеличении количества отсчетов до 128, самые лучшие результаты в данном эксперименте показывает классический метод БПФ и метод MUSIC при порядке модели равной 6-7.

         Результат первого этапа исследований указывает на явное преимущество метода Берга и метода MUSIC применительно к сигналам данного процесса, что и определило выбор для следующего этапа исследований. Второй этап исследований ориентирован на оценку эффективности выбранных методов при анализе спектров реальных сигналов. В качестве такого были рассмотрены фрагменты реализации информативного сигнала диагностируемой системы. Реализация воспроизводит первичный сигнал, осуществляющий амплитудно – частотную модуляцию собственных шумов диагностирующей системы при возникновении скрытого дефекта. Полученная информация об относительном уровне и частоте первичного сигнала позволяет идентифицировать дефект и вынести первичный диагноз.

         На втором єтапе будет произведено исследование возможности применения нестандартных методов спектрального оценивания для определения параметров джиттера сигнала.

Предлагаемая методика измерения джиттера состоит в следующем:
• С помощью прибора HP=5372 производим измерение частоты (фазы) тестового сигнала. Прибор определяет частоту сигнала по трем измерениям, что позволяет получать мгновенные значения частоты;
• Массив мгновенных значений частоты (фазы) тестового сигнала, либо отклонений частоты (фазы) от среднего значения переносится в ПК, где и происходит последующая обработка результатов;
• С помощью исследуемых ранее нестандартных методов спектрального оценивания производится обработка результатов.
• Из всех методов находится оптимальный, определяются параметры джиттера сигнала. Критерий оптимальности – наиболее близкое отображение частоты возмущающего воздействия (вызывающего джиттер). Частота возмущающего воздействия (джиттера) устанавливается нами и заранее известна.
• Поскольку для нахождения спектра сигнала девиации частоты необходимо небольшое количество измерений, то для определения динамики изменения джиттера предусматривается проводить множество опытов с небольшим количеством измерений в каждом. Обработка результатов будет проводиться по каждому опыту отдельно, а затем будет формироваться графики (таблицы), характеризующие динамику изменений.

         Планируется использовать эту методику для оценки параметров джиттера (вандера) в тестовом сигнале, который получен от не очень стабильного генератора, что гарантирует наличие джиттера в сигнале.

         На последующих этапах планируется искусственно вызвать появление джиттера при прохождении сигнала через линию связи, и оценить работоспособность предложенного метода оценки.

Список литературы

1. Колинько Т.А. Измерения в цифровых системах связи. Практическое руководство. – К.:ВЕК+, НТИ 2002. – 320с.
2. Марпл – мл. С.Л.  Цифровой  спектральный анализ и его приложения М.:Мир, 1990. – 584 с.
3. Хайкин С, Карри Б.У., Кеслер С.Б. Спектральный анализ радиолокационных мешающих отражений методом максимальной энтропии. – ТИИЭР, №9, 1982, с51 – 62.

Главная    |    Магистерская работа    |    Электронная библиотека    |    Ссылки    |    Результаты поиска