Общая теория электросвязи. Передача и распространение электрических сигналов, помехи, искажения, качество сигналов

В учебном пособии в доступной форме изложен материал, описывающий процессы, происходящие в устройствах цифровой обработки сигналов (ЦОС). Описаны процессы дискретизации и квантования сигналов, приводятся сведения из теории Z-преобразования, быстрого преобразования Фурье, вейвлет-преобразований, обширный материал посвящен цифровым фильтрам, цифровым генераторам,фазорасщепителям, демодуляторам и т. д. Описана архитектура сигнальных процессоров и организация вычислений в них, приведены методики расчета различных устройств ЦОС и программы их расчета и моделирования. Материал пособия содержит много рисунков, поясняющих происходящие в устройствах ЦОС процессы, а также временные диаграммы, графики и характеристики различных устройств ЦОС.

Данная методическая разработка предназначена для самостоятельной подготовки студента заочного факультета к выполнению аудиторной контрольной работы по дисциплине «Цифровая обработка сигналов».

В пособии изложены теоретические положения преобразования измерительных сигналов, которые являются основой для построения любых средств измерения с применением как традиционных, так и современных информационных технологий. Представлены модели сигналов, различные преобразования сигналов, теория модуляции сигналов, дискретизация, кодирование и восстановление сигналов, масштабно-временное преобразование сигналов.

Проведен анализ риска информационной безопасности при реализации некоторых из фрод-угроз. Разработаны соответствующие алгоритмы атак злоумышленника и предложены способы защиты от них. Результаты получены с помощью тестирования, проведенного на стенде оборудования одного из российских операторов связи.

Показана актуальность использования механизма обнаружения вторжения IDS в кластерной беспроводной сенсорной сети (БСС) для противодействия атакам, проводимым путем вброса злоумышленником нелегитимного сенсорного узла. Выполнение этим узлом функций головного узла кластера приводит к большому риску информационной безопасности всей кластерной области БСС. Дается описание предлагаемой системы обнаружения вторжений IDS на основе аномалий. При этом рассматриваются физический и канальный уровни сенсорного узла кластерной области.

Проанализирован ряд практических и теоретических проблем, возникающих при использовании стеганографии в кодах, исправляющих ошибки (Error Correction Code, ECC). Дан краткий анализ хорошо известных стеганографических приемов и методов. Изложены новые идеи применения стеганографических методов в кодах, исправляющих ошибки. Обоснована возможность и перспективность реализации стеганографических алгоритмов в кодах, исправляющих ошибки в цифровых многоцелевых дисках (Digital Versatile Disc, DVD), дисках Blu-Ray (BD) и голографических многоцелевых дисках (Holographic Versatile Disc, HVD).

Рассмотрены формы фрода, которые являются основными для действующих технологий сетей связи с точки зрения наибольших потерь дохода провайдера. Показана актуальность угроз фрода на сети SIP Российской Федерации. Проведен анализ угроз фрода на сети SIP, установленной на сети связи общего пользования Российской Федерации, предусмотренных механизмов защиты от них, а также некоторые формы фрода и угрозы фрода, которые являются основными для действующей в нашей стране технологии сети VoIP по протоколу SIP.

Предложен метод имитации псевдослучайных сигналов с энергетическими характеристиками, инвариантными к обобщенному временному сдвигу в системах счисления с переменным основанием, использующий каноническое и спектральное представления случайных процессов в базисе обобщенных функций Крестенсона и приводящий к эффективным алгоритмам имитации различной вычислительной сложности.

Интерес к построению моделей гармонического осциллятора связан с возможностью применения их в прикладных задачах обработки данных. Особый интерес представляет модель гармонического осциллятора с переменной частотой (модель квазигармонического осциллятора). Одним из важных достоинств такой модели является возможность использовать хорошо известные из механики математические свойства процессов колебаний гармонического осциллятора с медленно меняющейся частотой для задач обработки сигналов. Одним из таких свойств является наличие адиабатических инвариантов таких колебаний, которые позволяют получать одновременно с оценкой частоты сигнала и его амплитуду. Целью данной работы является вычисление локальной частоты и локальной амплитуды сигнала на основе модели осциллятора с флуктуирующей частотой с помощью теории адиабатических инвариантов и метода максимальной энтропии.

Исследованы взаимосвязи электрического поля приземного слоя атмосферы с геофизическими процессами с помощью радиотехнических и радиофизических методов и средств. Общая постановка задачи спектрального оценивания процесса, анализируемого в данной работе и состоящего из помехового фона и частично детерминированного гармонического сигнала (лунно-солнечные приливные эффекты), формулируется следующим образом: необходимо по данным дискретных измерений вертикальной составляющей напряженности электрического поля приземного слоя на конечном интервале времени получить достоверную оценку амплитуды спектральных компонент на известных частотах лунно-солнечных приливов. Доказана перспективность применения радиотехнического метода корреляционного квадратурного приемника при решении задачи оценки амплитуды электрического поля на частотах лунно-солнечных приливов.

Рассматривается задача вычисления спектральной плотности волнового процесса на основе данных от антенной решетки переменной конфигурации. Такая антенна представляет собой совокупность точеных датчиков, которые движутся в пространстве с постоянными скоростями относительно лабораторной системы отсчета и относительно друг друга. Предложен способ преобразования исходных данных, позволяющий устранять неоднородный доплеровский сдвиг в отдельных узлах решетки. Предложена реализация такой вычислительной процедуры для случая дискретных временных рядов.

К числу широко известных и перспективных методов оценки частотно-временных характеристик сигналов относятся методы, основывающиеся на построении и анализе функции неопределенности. В задачах радионавигации и оценки местоположения источников радиоизлучения такими характеристиками являются взаимная временная задержка и относительный доплеровский сдвиг частоты, возникающие при распространении сигнала от источника до разнесенных в пространстве приемников. Функция неопределенности в данном случае используется для одновременной оценки задержки и доплеровского сдвига частоты. На основе расчета взаимных временных задержек построен разностно-дальномерный метод оценки местоположения объектов, а значение доплеровского сдвига частоты используется для оценки скорости движения излучающего объекта. Одной из серьезных проблем, возникающих при практическом применении функции неопределенности, является большой объем вычислений, требующихся для ее расчета. Основной целью данной работы является разработка вычислительно эффективного метода расчета функции неопределенности с использованием параллельных вычислений на графических процессорах.

Рассматриваются способы анализа и построения модели джиттера с использованием метода сингулярно-спектрального анализа ("Гусеница").

Рассматривается алгоритм выделения пауз в речевом сигнале. Разработанный алгоритм основан на использовании теории активного восприятия, адаптированной к анализу речевых сигналов. Результаты проведенных экспериментов подтверждают возможность использования предложенного алгоритма для решения поставленной задачи.

Рассмотрены вопросы аппроксимации сигналов и функций сложной формы по экстремумам на основе разложения на знакопеременные составляющие. Показано, что на основе аппроксимации "колокольными импульсами" могут быть определены спектральные, времячастотные и другие характеристики сигналов, что является основой ее применения в технических системах.

Описана цифровая система фазовой синхронизации с равномерной дискретизацией и аналогово-цифровым преобразованием до петли фазовой автоподстройки. На основе метода D-разбиения определены области асимптотической устойчивости рассматриваемой системы третьего порядка. Выявлены области значений параметров k[1], k[2], k[3], при которых все корни характеристического уравнения линейного приближения рассматриваемой дискретной нелинейной системы на комплексной плоскости находятся внутри единичной окружности.

Приводится описание автоматизированной системы аппроксимативного корреляционно-спектрального анализа случайных процессов, с помощью которой осуществляется моделирование случайных процессов с заданным видом корреляционной функции, аппроксимация корреляционных функций и спектральных плотностей мощности ортогональными функциями Бесселя, оценка по параметрам модели обобщенных корреляционно-спектральных характеристик.

Рассмотрены представления полиномиальных фильтров во временной и частотной областях. Предложен метод синтеза двухмерных изотропных фильтров, основанный на представлении частотных характеристик полиномиального фильтра с помощью базисных частотных функций., соответствующих отдельным классам эквивалентности. С помощью данного метода синтезирован квадратичный дифференцирующий оператор, обладающий свойством круговой симметрии, рассмотрены его свойства и использование для повышения четкости изображения.

Определение потенциальной точности алгоритма оценки временного положения сейсмического сигнала является важным этапом при его реализации. Она позволяет объективно судить о качестве получаемых оценок. В статье определена нижняя граница условной дисперсии ошибок, удовлетворяющая неравенству Крамера-Рао. Приведены результаты сравнения точности алгоритма, в котором для определения временного положения сигнала используются оценки его локальных мощностей, с потенциально достижимой.

В сетях сотовой подвижной связи третьего поколения начинают внедряться услуги нового поколения - инфокоммуникационные услуги. Так называют услуги электросвязи, предполагающие автоматизированную обработку, хранение или предоставление информации по запросу с использованием средств вычислительной техники как на входящем, так и на исходящем конце соединения.

Для получения услуги в перспективных сетях связи пользователь может применить многофункциональное абонентское устройство в виде терминала SDR (Software Defined Radio), работающего на принципе программного управления протоколами и параметрами интерфейсов радиодоступа. В этих устройствах предусмотрена техническая возможность выбирать различные сети связи для получения требуемой услуги. Настояшая статья посвящена разработке метода решения задачи выбора сети.

В России теперь появился отечественный учебник по современным сетям связи, вполне доступный для усвоения учебного материала студентам не только профильных, но и родственных специальностей.

Общий показатель ошибок складывается из суммы показателей ошибок отдельных участков составного канала связи. Ошибки в процессе передачи информации накапливаются, что негативно отражается на качестве передачи.

Радикальные изменения, происходящие в телекоммуникационной системе, стимулируют пересмотр методологических подходов к проектированию сетей. В статье обсуждаюся аспекты выбора структуры сети связи.

Одним из последних и, возможно, наиболее значимым этапом развития сетей связи в России является цифровизация сетей связи общего пользования, увязанная с процессом построения полноценных сетей следующего поколения. Основным функциональным элементом конвергентной сети, отвечающим за коммутацию и управление услугами, является CSF - мощный инструмент, способный обеспечить оператору возможность реализации на сети новых услуг в условиях гибкого перехода к сети NGN.

Как показывают результаты внедрения первых сетей мобильного беспроводного широкополосного доступа, беспроводные технологии начинают играть все большую роль в данной структуре.

Автор в статье знакомит с моделями цифрового телетрафика на основе самоподобных случайных процессов. Данные процессы обладают рядом характерных признаков наличием корреляции между случайными событиями, выразившейся, в частности, в группировании событий в пачки, "длинными хвостами" функций распределения интервалов между событиями.

Будущее внедрения сетей LTE в России связано с необходимостью реформирования использования радиочастотного спектра (РЧС) на основе национальных процедур его высвобождения и перепланирования.

С развитием инфокоммуникационных технологий появилась возможность создания архитектуры мультисервисных сетей, которые в рамках единой инфраструктуры с использованием подсистемы предоставления мультимедийных услуг на базе протокола IP (IMS) будут предоставлять единые услуги пользователям стационарных телефонных сетей с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов, а также сетей сотовой подвижной связи.

В статье представлены результаты теоретического исследования шумовых характеристик буферных каскадов (БК), входящих в состав малошумящих автогенераторных модулей, построенных на дифференциальном активном элементе.

В данной статье предложена макромодель КМОП-инвертора, позволяющая анализировать фазовые шумы как автогенераторов, так и других функциональных узлов. На основе результатов экспериментальных исследований фазовых шумов автогенераторов получена оценка спектральной плотности мощности фазовых шумов, вносимых КМОП-инвертором.

Группирование ошибок создает известные проблемы при передаче, но оно позволяет прогнозировать качество передачи в будущем по результатам предыдущих попыток. Именно это свойство в статье предлагается использовать при построении приоритетных логических каналов.

В работе предложен ряд систем передачи данных с гибридной решающей обратной связью, приведено описание и результаты имитационного моделирования предложенных систем. Рассмотрены системы с блочным, сверточным и комбинированным корректирующим кодированием.

Видеотрафик играет все большую роль при внедрении услуг сетей связи следующего поколения (NGN). В статье рассмотрены особенности видеотрафика для NGN, в которой услуги по передаче видео реализуются на базе технологии IPTV. В основе изучения особенностей трафика IPTV лежат результаты измерений, проведенных на модельной сети ЦНИИС.

Национальные сети синхронизации реализуют процессы распределения времени и частоты по территориально распределенным объектам, обеспечивая их совместную работу и взаимодействуя с глобальными информационными инфраструктурами. Синхроинформация требуется для таких важных и крупных систем, подсистем и их элементов, как оборонная отрасль, метрологические службы, железнодорожный и иной транспорт, нефтегазопроводы, энергосистемы и др.

При пакетной передаче сигналы от источников, имеющие различную длину, "нарезаются" на пакеты определенного размера, что, помимо прочего, вносит характерные изменения в статистическую структуру пакетизированного сигнала. Автором статьи предложен метод расчетов, отражающий названные особенности.

В статье предложены варианты структурной оптимизации цифровых систем передачи для одночетверочных медно-кабельных линий связи. Разработаны методики расчета предельной длины участка регенерации.

В статье предлагается новый алгоритм выбора головного узла кластера в однородной беспроводной сенсорной сети CHSC (Cluster Head Selection for Coverage). В отличие от существующих алгоритмов, алгоритм CHSC при выборе головного узла учитывает не только энергетические параметры сенсорных узлов, но и величину покрытия ими заданной плоскости.

Мировые тенденции свидетельствуют о возрастании интереса пользователей к цифровому контенту - даже в условиях финансового кризиса. Для успешного вывода КОУ на рынок необходима продуманная маркетинговая стратегия.

Разработан метод анализа искажений групповых сложных сигналов в нелинейном усилителе мощности, основанный на вычислении взаимно корреляционной функции сигнала на входе усилителя и результирующего сигнала на его выходе.

В статье рассматривается способ распознавания цифровых амплитудно-модулированных сигналов - путем сопоставления накопленных уровней сигнала на соседних битовых интервалах, с использованием разностного и суммирующего каналов, компараторов с нулевым и конечным порогом срабатывания, а также устройства логического анализа повторений.

Предложен новый метод додетекторного декодирования при некогерентном приеме и поэлементной обработке n-разрядных двоичных сигналов. Произведена сравнительная оценка помехоустойчивости двоичных систем при применении последетекторного и додетекторного декодирования, показан энергетический выигрыш.

В статье представлена модель мультисервисной сети связи с возможностью повторения заявки из-за блокировки или недоступности вызываемого устройства. Даны определения основным показателям обслуживания заявок. Получены соотношения между введенными показателями, облегчающие их измерение или вычисление.

На основе развития энтропийного подхода разработана оптимизационная модель расчета числа виртуальных соединений с заданным качеством обслуживания трафика, позволяющая оценивать ресурсное обеспечение узлового оборудования и трактов передачи данных в сотовых сетях мобильной связи на технологии GPRS.

В статье систематизированы и проанализированы технологические, рыночные, регуляторные особенности и последствия массового перехода к технологиям и сетям следующего поколения. Обосновывается тезис о необходимости создания отдельного национального сегмента сети IP, обеспечивающего повышенный уровень информационной защищенности и качества связи.

В данной работе рассматриваеются системы передачи дискретных сообщений, в которых применяется статистический критерий оптимального обнаружения сигналов - критерий Неймана-Пирсона. Эта система функционирует в условиях, когда факт посылки сигнала априори не известен, а приемно-декодирующая аппаратура автоматизирована. В данной работе ведется анализ применительно к радиолиниям управления (командными радиолиниям).

Одна из актуальных задач теории пространственно-временной обработки сигналов - обнаружение и оценивание числа источников радиоизлучений, принимаемых антенной решеткой. Традиционный подход к решению задачи состоит в том, что мощности шумов в различных каналах приема предполагаются одинаковыми и априорно известными. На практике подобное допущение, как правило, не выполняется. В статье предлагается методика обнаружения и оценивания числа источников радиоизлучения на коротких выборках данных в условиях априорной неопределенности мощностей шумов в каналах приема.

Задачи синтеза алгоритмов синхронизации при приеме OFDM-сигналов актуальны с точки зрения эффективности приема и ресурсоемкости. особую сложность при решении данных задач представляет прием сигналов в городских условиях при многолучевом распространении сигнала и релеевских замираниях. Такое распространение сигнала приводит к значительному искажению его спектра и усложняет задачу синхронизации и оценки параметров канала в частотной области. В статье исследован вопрос синтеза и моделирования алгоритмов оценки и компенсации искажений спектра сигнала, вызванных как многолучевым распространением в канале, так и остаточными ошибками, возникающими на предшествующих этапах синхронизации.

Практика применения вейвлетов для решения задач сжатия и обработки изображений получила широкое развитие. В статье предлагается использовать новый вид продолжения сигнала, основанный на применении дополнительных векторов на границе.

В статье анализируется развитие и определяются перспективы передачи данных в подвижной наземной связи. Сделана оценка потенциально максимальной скорости передачи данных в системах наземной подвижной радиосвязи.