РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ

DEVELOPMENT OF A PROTOTYPE OF AN AUTOMATED SYSTEM FOR MONITORING THE PARAMETERS OF DIGITAL TRANSMISSION CHANNELS

Alexander Soloviev

Employee, Academy FSO Russia,

Russia, Oryol

Zahid Abdullin

Employee, Academy FSO Russia,

Russia, Oryol

Maxim Pronin

Employee, Academy FSO Russia,

Russia, Oryol

Sergey Smal

Employee, Academy FSO Russia,

Russia, Oryol

АННОТАЦИЯ

На основе анализа аппаратных платформ построения автоматизированных измерительных систем выбраны основные компоненты и предложены: структурная схема, лицевая панель и блок-диаграмма прототипа автоматизированной системы контроля параметров цифровых каналов передачи.

ABSTRACT

Based on the analysis of hardware platforms for building automated measuring systems, the main components are selected and a block diagram, a front panel and a block diagram of a prototype of an automated system for monitoring the parameters of digital transmission channels are proposed.

Ключевые слова: автоматизированная система контроля, цифровые каналы передачи, крейтовые модульные системы, платы оцифровки сигналов.

Keywords: automated control system, digital transmission channels, digital modular systems, signal digitization boards.

В соответствии со Стратегией развития отрасли связи на период до 2035 года Российская Федерация исторически занимает передовые позиции в части внедрения современных информационно-телекоммуникационных технологий. При этом возможность предоставления качественных и конкурентоспособных услуг всем потребителям определяется также своевременной проверкой на соответствие значений параметров цифровых каналов передачи установленным нормам [1].

В настоящее время поддержание требуемого качества цифровых каналов передачи чаще всего осуществляется на основе измерения и сравнения с нормами значений параметров с использованием традиционных измерительных приборов – Беркут-E1, АИСТ, ТИСС и подобных им, подключаемых благодаря входу и выходу линейного коммуникационного оборудования.

К недостаткам использования традиционных измерительных приборов можно отнести значительные трудозатраты, направленные на контроль значений параметров цифровых каналов передачи как следствие их достаточно большого количества. Так, в настоящий период на процесс контроля качества цифровых каналов возможна затрата до 90 % времени, отводимого для технического обслуживания. Кроме того, перечисленные выше измерительные приборы осуществляют только измерение значений контролируемых параметров цифровых каналов, а сравнение их с нормами возлагаются на технический персонал. В этой связи требуется совершенствование существующего контрольного процесса параметров цифровых каналов передачи с помощью  перехода на использование автоматизированных систем контроля (АСК).

Для обеспечения технической реализации АСК параметров цифровых каналов были рассмотрены функциональные возможности крейтовых модульных систем, основу которых составляют серийные модули, установленные в общий корпус – крейт. Также исследовалась потенциальность плат ввода–вывода измерительной информации DAQ, обеспечивающих преобразование реальных сигналов в виде массивов данных, с целью их передачи в программную среду для обработки (таблица 1) [2; 3].

Таблица 1.

Сравнительный анализ крейтовых систем и плат оцифровки сигналов DAQ

Проведенный анализ перечисленных выше систем и возможностей перспективных аппаратных платформ, таких как: LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) – новый коммуникационный стандарт для промышленной сети на базе стандартных сетей Ethernet; AXI (AXIe (AdvancedTCA Extensions for Instrumentation and Test) – новейший эталон для построения модульной измерительной аппаратуры высшего класса, основанный на телекоммуникационной вычислительной архитектуре AdvancedTCA с возможностью расширения для различных контрольно-измерительных приборов и тестовых систем; MXI (multisystem extension interface) показал, что с позиции обеспечения функциональной способности для разработки прототипа АСК параметров цифровых каналов передачи вполне пригодны платы оцифровки сигналов DAQ, выступающие в качестве основных компонент разрабатываемого прототипа АСК (рис. 1).

Рисунок 1. Основные компоненты прототипа АСК

Программное обеспечение прототипа АСК  реализовано с использованием среды графического программирования LabVIEW версии 15.0. В программе задействованы математические модели, описывающие процессы преобразования сигналов в каналах с оценкой их параметров. В отличие от других программных средств, LabVIEW специализируется на создании систем измерений, а также систем автоматизации управления на основе технологии виртуальных приборов. В комплексе с такими аппаратными средствами, как встраиваемые в компьютер многоканальные измерительные аналого-цифровые платы, подключаемые к компьютеру, LabVIEW позволяет разрабатывать системы измерения, контроля, диагностики практически любой сложности. Программирование в LabVIEW осуществляется на основе функциональных блоков, при этом на компьютерном экране создаются лицевые панели конкретных измерительных приборов. Терминальный узел представляет собой устройство, состоящее из винтовых или пружинных зажимов (клемм, терминалов), предназначенных для подсоединения сигналов к ПЭВМ и защиты от помех, наводок и шумов.

В целом, использование для построения прототипа АСК программного обеспечения LabVIEW позволяет разработать алгоритм измерения параметров цифрового канала передачи, а платы оцифровки сигналов DAQ помогают снабдить АСК реальной измерительной информацией [4; 5].

Принцип работы разрабатываемого прототипа АСК поясняется блок-схемой, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2. Блок-схема прототипа АСК,

где Ген ТП – Генератор тестовой последовательности, СхВМ – Схема вставки маркера,  Пр.1 – Преобразователь из униполярного в биполярный код, Пр.2 – Преобразователь из биполярного кода в униполярный, СхВыдМ – Схема выделения маркера СхСр – Схема сравнения СхВО – Схема выделения ошибок

На представленной блок-схеме сигнал в виде тестовой последовательности передается с выхода АСК в канал связи, а затем принимается с анализом ошибок, вносимых каналом. Синхронность испытательного и эталонного сигналов АСК достигается использованием маркера для корректного измерения параметров цифровых каналов по рекомендации G.821.

Алгоритм измерения параметров цифровых каналов с использованием разработанного прототипа АСК поясняется рисунком 3.

Рисунок 3. Алгоритм измерения параметров цифровых каналов с использованием разработанного прототипа АСК

Особенностью алгоритма является необходимость установки параметров платы DAQ в зависимости от выбранного канала передачи. Качество канала оценивается по результатам сравнения эталонного и тестового сигналов.

На основе представленного алгоритма была реализована лицевая панель предлагаемого прототипа АСК.

Рисунок 4. Лицевая панель прототипа автоматизированной системы контроля

Особенностью данного устройства – АСК – является не только измерение параметров цифровых каналов по рекомендации G.821 (коэффициент битовых ошибок, стрессовое тестирование, секунды с ошибками), но и контроль качества цифровых каналов путем сравнения измеренных значений параметров с нормами.

При запуске АСК осуществляется выбор порта, типа тестовой последовательности (все 1, чередование 1 и 0, 1 на 3 символа, 1 на 4 символа), устанавливается необходимое наблюдаемое количество импульсов и число импульсов в секунду. При необходимости предусмотрено изменение параметров тестового сигнала при потере синхронизации путем передачи в канал соответствующего маркера.

К измеряемым параметрам относятся скважность, период, длительность импульса, а также коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками (Background Block Error Ratio – BBER), коэффициент  ошибок  по  секундам  с  ошибками  (Errored Second Ratio – ESR), коэффициент ошибок по секундам, пораженных ошибками (Severelly Errored Second Ratio – SESR) [6].

На рисунке 5 представлена блок-диаграмма прототипа АСК, включающая в себя элементы цифрового ввода/вывода и счетчики, которые позволяет использовать плату DAQ для измерения параметров цифровых каналов.

Рисунок 5. Блок-диаграмма прототипа автоматизированной системы  контроля цифровых каналов передачи

Генерация сигналов различной формы осуществляется программно-математическими методами, позволяющими синтезировать почти идеальный сигнал без нелинейных искажений, с очень стабильной частотой и амплитудой, а также с известной начальной фазой. В реальном генераторе такие метрологические параметры практически недостижимы.

Проведенный сравнительный анализ технических характеристик разработанного прототипа АСК с характеристиками однотипных по назначению измерительных приборов (таблица 2), предполагает, что последующая разработка  АСК на основе предложенного прототипа с учетом частоты выборки платы DAQ позволит увеличить количество одновременно контролируемых основных цифровых каналов до 4-х раз.

Таблица 1.

Сравнительный анализ характеристик прототипа и однотипного средства измерений

Таким образом, в процессе разработки прототипа АСК параметров цифровых каналов передачи авторами статьи:

• проведен анализ существующих аппаратных платформ, и для технической поддержки разработки АСК выбраны платы DAQ;
• осуществлен выбор основных компонентов структуры, и с их использованием предложена блок-схема прототипа АСК в составе генератора ПСП, схемы задержки, схемы выделения маркера и схемы выделения ошибок;
• предложен алгоритм измерения параметров цифровых каналов с использованием разработанного прототипа АСК, а на его основе реализована лицевая панель и блок-диаграмма.

Перспективой дальнейших исследований является наполнение прототипа АСК процедурами прогнозирования динамики изменения значений параметров  цифровых каналов передачи для своевременного обнаружения и недопущения нарушений их состояния.

Список литературы:

1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW / под ред. П. А. Бутырина. – М. : ДМК Пресс, 2005. – 264 с.
2. Бакланов И.Г. Тестирование и диагностика систем связи. – М.: Эко-Трендз, 2001. – 271 с.
3. Евдокимов Ю.К. LabVIEW для радиоинженеров: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 400 с.
4. Жарков Ф. П., Каратаев В. В., Никифоров В. Ф., Панов В. С. Использование виртуальных инструментов LabVIEW/ под ред. К. С. Демирчяна и В. Г. Миронова. – М.: Солон-Р : Радио и связь, 1999. – 268 с.
5. Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года (Распоряжение Правительства Российской Федерацииот 24 ноября 2023 г. № 3339-р). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://publication.pravo.gov.ru/document/0001202312040015 (дата обращения: 07.03.2024).
6. Тревис Дж. LabVIEW для всех. – М.: ДМК Пресс ; ПриборКомплект, 2005. – 544 с.