Современные радиотехнические и волоконно

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский физико-технический институт (государственный университет)»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
_______________Е.В.Глухова
«____» ____________2008 г.
ПРОГРАММА
По курсу: «Современные радиотехнические и волоконно-оптические
телекоммуникационные сети и системы»
По направлению 010600: «Прикладные математика и физика»
Магистерская программа 010625: «Космические информационные системы. Связь,
навигация и дистанционное зондирование»
Факультет: ФРТК
Кафедра: «Радиотехнические космические системы»
Курс: 5
Семестр: 9, 10
Лекции: 66 часов
Практические – нет
Лабораторные занятия – нет
Экзамен – 10 семестр
Зачет с оценкой – 9 семестр
ВСЕГО ЧАСОВ: 66
Программа утверждена на заседании кафедры
«Радиотехнические космические системы»
24 июня 2008 г.
Разработал программу
Доктор технических наук В.М.Ватутин
Заведующий кафедрой
Доктор технических наук, профессор
________________А.А.Романов
Председатель
Ученого совета ФРТК
Доктор технических наук
_______________ С.Н.Гаричев
СОДЕРЖАНИЕ
АННОТАЦИЯ
Курс
«Современные
радиотехнические
и
волоконно-оптические
телекоммуникационные сети и системы» рассчитан на слушателей, имеющих базовую
университетскую (политехническую) подготовку по общей физике и высшей математике.
Основное внимание уделяется рассмотрению методов и средств формирования,
передачи, обработки и интерпретации данных в современных радиотехнических и
волоконно-оптических телекоммуникационных сетях и системах, а также применению
разработанных и созданных
информационных технологий в различных отраслях
народного хозяйства.
РАЗВЕРНУТАЯ ПРОГРАММА ЛЕКЦИЙ (66 часов)
Тема 1. Анализ современного состояния проблемных вопросов создания
высокопроизводительных средств формирования и передачи интегрированных цифровых
информационно-управляющих потоков в бортовых и наземных командноинформационных комплексах современных радиотехнических телекоммуникационных
космических сетей (СРТКС). Этика международного освоения космоса. Положения
Юнеско. Тенденции развития КА. Перераспределение функций между КА.
Классификация и основные предпосылки использования малых КА в СРТКС.
Тема 2. Стандарты по системам формирования и обработки телеметрической и
командной информации. Стандарты Consultative Committee for Space Data Systems
(ССSDS). Стандарты
ISO
(International
Organization
For
Standardtization).
Стандарты Object Management Group, Inc.(OMG) (Детализация данных телеметрии и
телеуправления). TIA-1008 «IP over Satellite (IPoS)» / «IP через спутник».
Анализ современного состояния и тенденции развития интегрированных глобальных
Интернет-систем передачи информации. Стандарты на космический интернет.
Тема 3. Технические средства формирования и передачи интегрированных
цифровых информационно-управляющих потоков в бортовых и наземных командноинформационных комплексах. Требования к составу аппаратуры. Общие требования по
используемым стандартам. Требования по элементной базе. Рекомендации к средствам
моделирования космических информационно-телекоммуникационных систем. Требования
к кодам, структуре и форматам передачи данных. Рекомендации OMG на спецификацию
данных телеметрии и телекоманд (Telemetry and Telecommand Data Specification).
Современные представления о базах и потоках метаданных телеметрии и телекоманд.
Пример комплексного подхода к решению задачи.
Тема 4. Рекомендации по возможным механизмам и архитектурным решениям для
поддержки концепции единого информационного потока в бортовых и наземных
командно-информационных комплексах. Наземный комплекс. Бортовой комплекс.
Примеры построения бортовых устройств телеметрии. Пример построения наземного
комплекса. Принципы обеспечения надежности и отказоусточивости вычислительных
комплексов космических систем. Тенденции развития современной элементной базы.
Перспективы применения нанотехнологий. Основные направления развития
перспективной отечественной элементной базы. Нанотехнологии в перспективной
отечественной электронике. Проекты и решения. Программируемые логические
интегральные схемы (FPGA). Перспективы построения бортовых параллельных систем на
2
отечественной элементной базе. Специализированные вычислители на
процессорах и FPGA .
сигнальных
Тема 5. Принципы и методы быстрой обработки и сжатия информации.
Высокопроизводительные вычислительные системы с параллельной архитектурой.
Анализ изображений и распознавание образов, в том числе с использованием
нейросетевых методов и кластерных вычислительных устройств (КВУ). Пример
параллельной реализации классификатора для системы ДЗЗ. Поиск локальных объектов
на снимке из космоса на основе ИНС. Анализ алгоритмов сжатия (без потерь и с
потерями), в том числе параллельных. Сжатие с потерями. Сжатие без потерь. Вейвлет преобразование и его приложения. Формат сжатия Wavelet – краткое описание. Методы
сжатия пространства признаков.
Тема 6. Анализ типов естественных и преднамеренных помех в радиолиниях
передачи цифровых информационно-управляющих потоков. Вводные замечания.
Классификация мешающих влияний при передаче цифровых информационноуправляющих потоков в радиолиниях управления. Типы мешающих влияний. Влияние
условий распространения радиоволн. Типы естественных помех и методы борьбы с ними.
Типы преднамеренных помех и методы борьбы с ними. Наиболее опасные помехи для
устройств демодуляции, обнаружения, синхронизации и декодирования сигналов.
Тема 7. Анализ устойчивости алгоритмов модуляции, кодирования и шифрования в
радиолиниях передачи интегрированных цифровых информационно-управляющих
потоков. Исследование помехоустойчивости алгоритмов демодуляции в радиолиниях
передачи интегрированных цифровых информационно управляющих потоков к действию
естественных и преднамеренных помех. Исследование алгоритмов помехоустойчивого
кодирования в радиолиниях передачи интегрированных цифровых информационноуправляющих потоков. Исследование алгоритмов шифрования данных в радиолиниях
передачи интегрированных цифровых информационно-управляющих потоков. Основные
понятия криптографии. Криптография с симметричным ключом. Криптография с
открытым ключом. Статистический анализ криптоалгоритмов.
Тема 8. Адаптивные к помеховой обстановке алгоритмы цифровой обработки
широкополосных сигналов радиолиний передачи интегрированных цифровых
информационно-управляющих потоков. Алгоритмы оценки помеховой обстановки на
основе вейвлет-пакетного разложения и банка фильтров Велти. Совместный синтез
сигналов и устройств обработки, обладающих свойством симметрии на основе вейвлетпакетного разложения и банка фильтров Велти. Алгоритмы обнаружения сложных
сигналов при действии естественных и преднамеренных помех на основе вейвлетпакетного разложения и систем банк-фильтров. Алгоритм обнаружения сложных сигналов
при низком отношении сигнал-шум с использованием накопления. Алгоритмы вхождения
в синхронизм в СРТКС при действии естественных и преднамеренных помех.
Тема 9. Пути повышения помехоустойчивости радиолинии передачи
интегрированных цифровых информационно-управляющих потоков при действии
естественных и преднамеренных помех. Исследование устойчивости алгоритмов
обработки фазоманипулированных сигналов на основе вейвлет-пакетного разложения и
банка фильтров Велти к действию естественных и преднамеренных помех. Исследование
помехоустойчивости алгоритма обработки фазоманипулированных сигналов обладающих
специальными свойствами симметрии. Алгоритм синтеза и обработки кодовых
последовательностей с минимальным уровнем боковых лепестков автокорреляционной
3
функции на основе вейвлет-пакетного разложения устойчивых к воздействию
преднамеренных помех. Исследование алгоритмов синтеза систем кодовых
последовательностей для фазоманипулированных сигналов с минимальными
вероятностью ошибки и уровнем боковых лепестков автокорреляционной функции.
Исследование алгоритма синтеза модулирующей функции для фазоманипулированных
сигналов. Исследование влияния искажений в канале передачи информации на
характеристики дискретных сигналов. Повышение помехозащищенности алгоритмов
каскадного кодирования в радиолиниях передачи интегрированных информационноуправляющих потоков. Исследование помехоустойчивости алгоритмов обнаружения и
вхождения в синхронизм в радиолиниях передачи интегрированных информационноуправляющих потоков.
Тема 10. Практические аспекты реализации алгоритмов цифровой обработки
сигналов на основе искусственных нейронных сетей в радиолиниях передачи цифровых
информационно-управляющих потоков. Концепция разработки алгоритмов цифровой
обработки сигналов в нейросетевом логическом базисе. Нейросетевой алгоритм весовой
обработки кодовых последовательностей фазоманипулированных сигналов. Реализация
алгоритма вейвлет-пакетного разложения на основе использования искусственных
нейронных сетей. Анализ реализации нейросетевого алгоритма синтеза кодовых
последовательностей с использованием данных о помеховой обстановке. Обзор
высоконадежных средств аппаратной реализации нейросетевых алгоритмов цифровой
обработки сигналов. Средства аппаратной реализации нейросетевых алгоритмов
цифровой обработки сигналов. Программируемые логические интегральные схемы.
Цифровые сигнальные процессоры. СБИС цифровой обработки сигналов НТЦ "Модуль".
Анализ возможности аппаратной реализации нейросетевых алгоритмов ЦОС на основе
ПЛИС.
Тема 11. Анализ вариантов построения радиолиний передачи интегрированных
цифровых информационно-управляющих потоков и синтез широкополосных сигналов
при действии естественных и преднамеренных помех. Выбор вида модуляции сигналов
для построения радиолинии передачи интегрированных цифровых информационноуправляющих потоков. Варианты построения блока корреляционной обработки сигналов.
Анализ вариантов построения устройств корреляционной обработки на основе быстрых
спектральных преобразований. Весовая обработка на основе использования
искусственных нейронных сетей. Вейвлет-пакетное разложение на основе использования
искусственных нейронных сетей. Варианты построения блока оценки помеховой
обстановки. Структурная схема блока оценки текущей помеховой обстановки. Оценка
помеховой обстановки с использованием вейвлет-пакетного разложения. Блок оценки
текущей помеховой обстановки на основе банка фильтров Велти. Варианты построения
блока синтеза кодовых последовательностей. Синтез кодовых последовательностей,
обладающих свойством симметрии. Синтез кодовых последовательностей с
использованием искусственных нейронных сетей. Варианты построения систем
вхождения в синхронизм. Варианты построения устройств шифрования и кодирования.
Алгоритмы кодирования источника интегрированных цифровых информационноуправляющих потоков. Перспективные алгоритмы помехоустойчивого кодирования.
Тема 12. Перспективные высокопроизводительные методы и средства модуляции и
кодирования в радиолиниях передачи интегрированных цифровых информационноуправляющих потоков в наземных командно-информационных комплексах. Вещательное
телевидение и звук. Корректирующие коды, используемые при передаче интегрированных
4
цифровых информационно-управляющих потоков. Рекомендуемые методы модуляции с
эффективным использованием полосы частот.
Тема 13. Наземные средства связи и передачи данных гражданской компоненты
(ГК) ЕГ НАКУ. Системный замысел создаваемой мультисервисной сети и
информационной инфраструктуры ГК ЕГНАКУ. Общие подходы к построению
мультисервисных сетей связи. Обоснование основных технических решений и принципов
построения мультисервисной сети. Обоснование основных технических решений и
принципов построения магистральных телекоммуникационных комплексов (МТК).
Подсистема коммутации и маршрутизации. Подсистема автоматизированной системы
управления связью, администрирования и мониторинга сети. Состав системы управления.
Подсистема обеспечения защиты передаваемой информации. Подсистема доступа
абонентов в сеть. Принципы построения объектовых телекоммуникационных сетей (ТКС).
Построение Автоматизированной системы документального обмена. Принципы
построения сети видеоконференцсвязи и телевидения. Принципы построения сети
телефонной и громкоговорящей связи.
Тема 14. Специальные методики и вариант их аппаратной реализации при
исследовании спектра и структур сигналов при радиомониторинге новых
радиоэлектронных средств (РЭС). Состав и задачи системы радиомониторинга. Методики
измерения несущей частоты. Общие положения. Требования к методам измерения
частоты. Метод с использованием анализатора с качающейся частотой. Методы измерения
частоты на основе ЦОС, применяемые на станциях, участвующих в международном
контроле. Метод измерения мгновенной частоты. Метод БПФ. Калибровка каскада
кварцевой стабилизации частотного оборудования по эталонной частоте. Применение
передачи сигналов эталонных частот и сигналов точного времени. Список рекомендаций
МСЭ-Р. Методики измерения ширины полосы частот. Определения ширины полосы
частот. Контроль ширины полосы излучений на станциях радиомониторинга. Факторы,
влияющие на точность измерения полосы частот. Методы измерения ширины полосы
частот. Измерение ширины занимаемой полосы частот. Метод с использованием
анализатора спектра. Методы, основанные на БПФ. Прямые методы измерения ширины
полосы на уровне x дБ. Условия, которые следует учитывать при измерении ширины
полосы. Влияние помех. Влияние шума. Практическое измерение ширины полосы.
Условия для практического измерения. Требования к приемному оборудованию,
используемому при контроле. Список рекомендаций МСЭ-Р. Методика измерения
доплеровского смещения по частоте. Описание эффекта доплеровского сдвига. Методы
измерения частоты с учетом доплеровского эффекта. Методы измерения ширины полосы
частот с учетом доплеровского эффекта. Методики измерения плотности потока
мощности, методы измерения и расчетные соотношения. Список рекомендаций МСЭ-Р.
Методики определения класса излучения. Состав характеристик класса излучения. Анализ
сигналов. Сценарий анализа сигналов. Определение основных параметров сигнала.
Определение подробных параметров сигнала. Идентификация посредством взаимной
корреляции с контрольным сигналом. Демодуляция/декодирование. Поляризационные
характеристики сигнала.
Тема 15. Международно-правовой статус использования диапазонов частот КИС
«Клен». Международно-правовые основы использования радиочастотного ресурса систем
радиоуправления космическими аппаратами социально-экономического назначения.
Концепция использования радиочастотного спектра РЭС радиоуправления КА НСЭН.
Международный правовой статус использования полос частотой около 2,1/2,2 ГГц КИС
«Клен». Международный правовой статус использования полос частот 4/6 ГГц КИС
5
«Клен». Международный правовой статус использования полос частот 7100-7235 МГц
КИС «Клен». Международный правовой статус использования полос частот диапазона
11/14 ГГц КИС «Клен».
Тема 16. Структура сигналов КИС «Клен». Анализ требований международных
стандартов. Структуры сигналов в радиолиниях КИС «Клен» – БА КИС типа ЕКТС.
Диапазоны частот в радиолиниях КИС «Клен» – БА КИС типа ЕКТС. Частотный план.
ВЧ структуры запросной радиолинии. ВЧ структуры ответной радиолинии. НЧ структуры
сигналов в радиолиниях КИС Клен - БА КИС типа ЕКТС. НЧ структуры сигналов в
каналах передачи синхронных потоков. НЧ структуры в канале пакетного телеуправления.
НЧ структуры в канале контроля. Формирование ВЧ части физического соединения в
канале пакетного телеуправления. Обзор Физического Уровня. Структуры данных,
определенные на Физическом Уровне. Стандартные процедуры на Физическом Уровне.
Тема 17. Структуры сигналов в радиолиниях МКСР «Луч-М». Структура сигналов в
абонентской радиолинии S диапазона. Структура сигналов в абонентской радиолинии Кu
диапазона. Структуры сигналов в абонентской радиолинии Ка диапазона.
Тема 18. Предложения по выбору унифицированных частотных диапазонов в
непосредственном и ретрансляционном режимах (С, S, Ku, Ka, X) с учетом
помехоустойчивости,
пропускной
способности,
выполнения
международных
рекомендаций. Предложения по диапазонам волн для радиолиний КИС, работающих в
ретрансляционном режиме управления КА. Предложения по диапазонам волн для
радиолиний КИС в режиме непосредственного управления КА (по радиолиниям КИСКА). Предложения по диапазонам волн КИС, работающей как в режиме
непосредственного управления, так и в ретрансляционном режиме управления КА.
Тема 19. Волоконно-оптические технологии на пути реализации полностью
оптических сетей связи. Пассивные компоненты ВОЛС.
Тема 20. Проектирование и строительство инфокоммуникационных систем
различного назначения. Основные этапы разработки проектной документации.
Составление и согласование технического задания (ТЗ). Проведение предпроектных
изысканий. Получение необходимых разрешений и согласований. Разработка рабочего
проекта. Основные этапы строительства.
Тема 21. Офисные кабельные сети на основе волоконно-оптических
инфотелекоммуникационных технологий. Проектирование, строительство и инсталляция
таких элементов современной офисной инфраструктуры как: компьютерная сеть,
телефонная сеть, адресная охранно-пожарная сигнализация, цифровая система
видеонаблюдения, система контроля и управления доступом.
Тема
22.
Сети
кабельного
инфотелекоммуникационных технологий.
ТВ
на
основе
волоконно-оптических
Тема 23. Системы администрирования волоконно-оптических кабельных сетей.
Тема 24. Современные задачи измерений в волоконно-оптических системах
передачи. Основные виды измерений волоконной оптики. Измерения параметров
оптического волокна. Многомодовое волокно. Одномодовое волокно. Измерения
параметров источников излучения. Светодиоды. Лазерные диоды. Измерения параметров
6
фотоприемника. Измерения вносимых потерь. Системные измерения. Необходимость в
новых измерениях и приборах. Параметры, которые необходимо измерять в полевых
условиях. Измерения в системах передачи с оптическими усилителями.
Тема 25. Современные методы измерений поляризационной модовой дисперсии
(PMD). Краткий обзор методов измерения PMD. Волновые методы измерения PMD.
Метод сканирования длины волны. Анализ методом подсчета экстремальных значений
при сканировании длины волны. Анализ методом преобразования Фурье. Анализ методом
параметров Стокса. Анализ методом матриц Джонса. Основные особенности измерения
PMD методом сканирования длины волны. Временные методы измерения PMD.
Интерферометрический метод. Основные особенности интерферометрического метода
измерения PMD.
Тема 26. Современные технологии измерения потерь рассеяния на основе
оптических время-импульсных рефлектометров (OTDR). Обратное рассеяние и отражение
световой волны в оптическом волокне. Уровень сигнала рассеянного в обратном
направлении. Уровень отраженного сигнала. Основные характеристики рефлектометра.
Динамический диапазон рефлектометра. Дальность обнаружения неоднородности.
Пространственная разрешающая способность. Точность локализации места обнаружения
неисправности.
Тема 27. Анализаторы оптического спектра. Анализаторы оптического спектра на
основе интерферометра Фабри-Перо. Интерферометр Фабри-Перо. Анализаторы
оптического спектра на основе дифракционной решетки. Дифракционная решетка.
Однопроходной
монохроматор.
Сдвоенный
монохроматор.
Двухпроходный
монохроматор классического типа. Двухпроходной монохроматор Литтмана.
Функционирование и основные характеристики анализаторов оптического спектра,
основанных на дифракционной решетке. Настройки длины волны. Чувствительность к
поляризации входного излучения. Методы калибровки анализаторов оптического спектра
по длине волны. Калибровка по источнику с известной длиной волны излучения.
Калибровка по элементам поглощения. Длина волны в воздухе и вакууме. Основные
характеристики OSA. Технология измерения спектра модулированных сигналов.
Обработка сигнала в OSA. Режим нулевого интервала. Ждущий режим запуска.
Синхронизированные режимы сбора и обработки данных. Режим сбора и обработки
данных по одному из фронтов синхроимпульса. Режим сбора и обработки данных по
обоим фронтам синхроимпульса. Режим стробирования. Пример использования OSA для
определения параметров оптических усилителей.
Тема 28. Поверка и калибровка волоконно-оптических измерительных приборов.
Базовые концепции. Калибровка измерителя оптической мощности. Калибровка
источника оптического излучения. Калибровка анализаторов затухания оптических
кабелей. Калибровка анализаторов затухания оптических кабелей. Калибровка
оптического аттенюатора. Калибровка оптического рефлектометра. Определение
динамического диапазона. Калибровка расстояния. Калибровка затухания. Мертвая зона
отражения. Основные оптические характеристики для калибровки в одномодовом режиме.
Тема 29. Измерение потерь при термическом соединении оптических волокон.
7
ЛИТЕРАТУРА.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Осовский С. Нейронные сети для обработки информации. М.: Финансы и
статистика, 2002.
Галушкин А.И. Теория нейронных сетей: уч. Пособие для вузов. М.: ИПРЖР, 2000.
Воробъев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования. СПб.:
ВУС, 1999.
Р. Морелос-Сарагоса Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы,
алгоритмы, применение. М.: Техносфера, 2005.
Любомудров
А.А.
Электромагнитные
помехи
и
помехозащищенность
радиоэлектронной аппаратуры. М.: 1996.
Солохина Т., Александров Ю., Петричкович Я.. Сигнальные контроллеры компании
«Элвис»: первая линейка отечественных DSP // Электроника: Наука, Технология,
Бизнес. – 2005. – №7.
Измерение потерь излучения в ВОЛС. Монтажное и измерительное оборудование
для волоконно-оптической связи, ТелекомКомплектСервис, 1998
Основные характеристики сварочных аппаратов магистрального класса. Вестник
связи, 5, 1998.
S. Burleigh, V. Cerf, R. Durst, K. Fall, A. Hooke, K. Scott, H. Weiss. The Interplanetary
Internet:
a
Communications
Infrastructure
for
Mars
Exploration.
(http://www.ipnsig.org/reports/IAF-Oct-2002.pdf)
Noles J., Scott K., Zukoski M., Weiss H. Next-Generation Space Internet: Prototype
Implementation. (http://esto.nasa.gov/conferences/estc-2002/Papers/A2P1(Scott).pdf)
Space Packet Protocol. Recommendation for Space Data System Standards, CCSDS 133.0B-1. Blue Book. Issue 1. Washington, D.C.: CCSDS, September 2003.
CCSDS File Delivery Protocol (CFDP)—Part 1: Introduction and Overview. Report
Concerning Space Data System Standards, CCSDS 720.1-G-2. Green Book. Issue 2.
Washington, D.C.: CCSDS, September 2003.
TM Space Data Link Protocol. Recommendation for Space Data System Standards,
CCSDS 132.0-B-1. Blue Book. Issue 1. Washington, D.C.: CCSDS, September 2003.
Radio Frequency and Modulation Systems—Part 1: Earth Stations and Spacecraft.
Recommendations for Space Data System Standards, CCSDS 401.0-B. Blue Book.
Washington, D.C.: CCSDS, June 2001.
Proximity-1 Space Link Protocol—Rationale, Architecture and Scenarios. Draft Report
Concerning Space Data System Standards, CCSDS 211.0-G-0. Pre-Issue Draft Green
Book. Issue 0. Washington, D.C.: CCSDS, April 2004.
8