УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
DEVICE FOR DIAGNOSING DIGITAL INFORMATION TRANSMISSION CHANNELS

Изобретение относится к радиосвязи и может использоваться в системах автоматизированного контроля каналов передачи цифровой информации (КПЦИ).
Существует устройство измерения качества каналов передачи цифровой информации, позволяющее оценивать качество канала в отсутствии информационного сигнала (патент SU №1358105, H04L 11/08, 1984 г.).
Недостатком данного устройства является низкая достоверность диагностирования КПЦИ вследствие отсутствия возможности прогнозирования технического состояния на заданный интервал времени и определения их коэффициента оперативной готовности.
Наиболее близким по технической сущности является устройство измерения качества каналов передачи цифровой информации. Данное устройство выбрано в качестве прототипа (патент RU №2230437 H04B 17/00, 2004 г.).
Устройство измерения качества КПЦИ содержит последовательно соединенный измеряемый приемник, первый блок переключения, оконечную аппаратуру, второй блок переключения, блок измерения коэффициента исправного действия, индикатор работоспособности, последовательно соединенные анализатор, элемент И, блок измерения исправляющих способностей приемника, информационный вход которого соединен с выходом промежуточной частоты измеряемого приемника, информационный выход которого соединен со входом измеряемого приемника, вход управления которого соединен с выходом элемента И, а контрольный выход со вторым входом индикатора работоспособности, блок контроля оконечной аппаратуры, информационный вход которого соединен с выходом второго блока переключения, информационный выход которого с входом первого блока переключения, а выход которого соединен с третьим входом индикатора работоспособности.
Недостатком данного устройства является низкая достоверность диагностирования КПЦИ вследствие отсутствия возможности прогнозирования технического состояния на заданный интервал времени и определения их коэффициента оперативной готовности.
Задачей изобретения является создание устройства диагностирования каналов передачи цифровой информации, позволяющего повысить достоверность оценки технического состояния (диагностирования) КПЦИ за счет вероятностного прогнозирования возможности возникновения отказов (сбоев) в измеряемых приемниках и комплектах оконечной аппаратуры на заданный интервал времени и расчета их коэффициента оперативной готовности.
Эта задача решается тем, что устройство диагностирования каналов передачи цифровой информации, содержащее последовательно соединенный измеряемый приемник, выход которого соединен с первым входом первого блока переключения, первый выход которого соединен с входом оконечной аппаратуры, вход управления первого блока переключения и вход управления второго блока переключения соединен с первым входом блока измерения исправляющих способностей приемника и с выходом элемента И, оконечную аппаратуру, выход которой соединен с первым входом второго блока переключения, первый выход которого соединен с входом блока контроля оконечной аппаратуры, второй выход второго блока переключения соединен с входом блока измерения коэффициента исправного действия, второй вход которого соединен с первым входом блока измерения исправляющих способностей приемника, блок измерения коэффициента исправного действия, выход которого соединен с первым входом индикатора работоспособности, а также с первым входом блока элемента И, анализатор, первый вход которого соединен с выходом промежуточной частоты измеряемого приемника, второй вход которого соединен с входом измеряемого приемника, выход которого соединен с вторым входом элемента И, выход которого соединен с первым входом блока измерения исправляющих способностей приемника, второй вход которого соединен с выходом промежуточной частоты измеряемого приемника, первый выход которого соединен со входом измеряемого приемника, второй выход которого соединен с вторым входом индикатора работоспособности, блок контроля оконечной аппаратуры, первый выход которого соединен со вторым входом первого блока переключения, второй выход соединен с третьим входом индикатора работоспособности, согласно изобретению дополнено: n-измеряемыми приемниками и n-комплектами оконечной аппаратуры, блоком расчета коэффициента оперативной готовности, устройством управления, устройством вероятностного прогнозирования, первый вход которого соединен с выходами n-измеряемых приемников, второй вход которого соединен с выходами n-комплектов оконечной аппаратуры, первый выход устройства вероятностного прогнозирования соединен с первым входом блока расчета коэффициента оперативной готовности, второй выход устройства вероятностного прогнозирования соединен с первым входом устройства управления, блок расчета коэффициента оперативной готовности, второй вход которого соединен со вторым выходом блока измерения коэффициента исправного действия, выход блока расчета коэффициента оперативной готовности соединен с четвертым входом индикатора работоспособности, первый выход устройства управления соединен с третьим входом первого блока переключения, второй выход устройства управления соединен со вторым входом второго блока переключения, второй вход устройства управления соединен с третьим выходом блока контроля оконечной аппаратуры.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения достоверности диагностирования КПЦИ за счет вероятностного прогнозирования возможности возникновения отказов (сбоев) в измеряемых приемниках и комплектах оконечной аппаратуры на заданный интервал времени и расчета их коэффициента оперативной готовности.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
«Промышленная применимость» введенных элементов обусловлена наличием элементной базы, на основе которой они могут быть выполнены.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - структурная схема устройства измерения качества каналов передачи цифровой информации;
фиг.2 - структурная схема устройства вероятностного прогнозирования;
фиг.3 - алгоритм работы устройства вероятностного прогнозирования;
фиг.4 - структурная схема микропроцессора КР 580;
фиг.5 - алгоритм работы системы цифровой обработки сигналов.
Устройство измерения качества каналов передачи цифровой информации, показанное на фиг.1, содержит n-измеряемых приемников 1, первый блок переключения 2, n-комплектов оконечной аппаратуры 3, второй блок переключения 4, блок измерения коэффициента исправного действия 5, индикатор работоспособности 6, анализатор 7, элемент И 8, блок измерения исправляющих способностей приемника 9, блок контроля оконечной аппаратуры 10, устройство управления 11, устройство вероятностного прогнозирования 12, блок расчета коэффициента оперативной готовности 13, систему цифровой обработки сигналов 14.
УВП - известное устройство и предназначено для определения и сигнализации вероятности выхода (невыхода) диагностического параметра за допустимые пределы в определенный (заданный) момент времени. Как вариант может быть выполнен по схеме, представленной на фиг.2. Включает в себя блок коммутации и измерения (БКИ) 12.1, блок памяти (БП) 12.2, блок весовых коэффициентов (БВК) 12.3, блок вычисления вероятностных характеристик априорной информации (БВ1) 12.4, блок вычисления условных апостериорных вероятностей (БВ2) 12.5, блок коррекции результатов (БКР) 12.6, блоки индикации (БИ) 12.7, блок управления (БУ) 12.8, описывается в книге: Технические средства диагностирования: Справочник / В.В.Клюев, П.П.Пархоменко, В.Е.Абрамчук и др.; под общ. ред. В.В.Клюев. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с., ил. - с.158-159 рис.17.
УВП работает по следующему алгоритму (фиг.3). В начале работы УВП осуществляется ввод исходных данных. Далее происходит прогнозирование технического состояния на заданный интервал времени Δt. На следующем шаге происходит определение вероятности безотказной работы на заданный интервал времени P(Δt) (ГОСТ Р 27.004-2009 Надежность в технике. Модели отказов. Москва 2010 г. - 16 с.; ГОСТ Р 27.403-2009 Надежность в технике. Планы испытаний для контроля вероятности безотказной работы. Москва 2010 г. - 16 с.).
треб
треб
На следующем шаге сравнивается полученное значение P(Δt) с требуемым значением P(Δt). В случае P(Δt)≥P(Δt) полученное значение P(Δt) записывается в блок 11 и в регистры блока 13 (фиг.1). Алгоритм считается выполненным полностью.
Блок 11 устройства управления и блок 13 расчета коэффициента оперативной готовности можно реализовать в виде системы цифровой обработки сигналов 14 (ЦОС) на основе микропроцессора.
Принцип работы системы ЦОС описан во многих источниках. Наиболее близкой по своей технической сущности является система цифровой обработки сигналов, реализованная на микропроцессоре КР 580 (фиг.4), описанная в книге: Н.И.Лихачев, С.С.Шаврин. Применение микропроцессорных средств в технике МСП Учебное пособие / МИС. - М., 1990. - 29 с., ил. - с.12-16, рис.1, 2).
Порядок работы блока 11 устройства управления и блока 13 расчета коэффициента оперативной готовности можно реализовать в виде алгоритма работы системы цифровой обработки сигналов 14.
0
1
2
3
0
1
2
3
о
в
ИД
Алгоритм работает следующим образом (фиг.5). Начало работы системы ЦОС осуществляется с задания значения принимаемого бита последовательности измеренных параметров сигналов отклика из D, D, D D (n=1), где D, D, D, D- сигналы буфера данных микропроцессора; n-текущее значение бита последовательности. Если текущее значение бита равно нулю, то добавляется информация в виде текущего значения бита - единицы. Значение принимаемого бита записывается в очередной регистр блока 13 (фиг.1). Далее производится ввод исходных данных из блока измерения коэффициента исправного действия в блок расчета коэффициента оперативной готовности: Т - время наработки на отказ, Т - среднее время отказа (восстановления), К - коэффициент исправного действия, с УВП - значение P(Δt).
ОГ.
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
треб
треб
В блоке расчета коэффициента оперативной готовности производится расчет коэффициента оперативной готовности - К Сравнивается рассчитанное значение Кс требуемым значением коэффициента оперативной готовности - К . В случае К≥К  происходит фиксация значения К. В противном случае - повторяется расчет К. На следующем шаге производится вывод значения К на индикатор работоспособности. Алгоритм считается выполненным полностью.
Устройство работает следующим образом (фиг.1):
При приеме информационных сигналов блок 5 осуществляет расчет (измерение) коэффициента готовности КПЦИ (Тихонов Б.Н. Техническое обеспечение связи. Часть 1. Основы технической эксплуатации средств связи. Учебное пособие. - Орел: ОВВКУС, 1989. - 139 с.)
о
где Т - наработка на отказ,
в
Т - среднее время отказа (восстановления) (ГОСТ Р 27.404-2009 Надежность в технике. Планы испытаний для контроля коэффициента готовности. Москва. 2010 г. - 16 с.).
Блок 13 осуществляет расчет коэффициента оперативной готовности КПЦИ (Тихонов Б.Н. Техническое обеспечение связи. Часть 1. Основы технической эксплуатации средств связи. Учебное пособие. - Орел: ОВВКУС, 1989. - 139 с.)
где P(Δt) - вероятность того, что КПЦИ будет в работоспособном состоянии за заданный интервал времени.
ИД
Если К соответствует требуемому значению, то на выходе блока 5 появляется сигнал "Канал ПЦИ Норма", который отображается индикатором 6. В противном случае (нарушение работоспособности измеряемого приемника 1 или комплекта оконечной аппаратуры 3) на выходе трактов блока 5 появляется сигнал "Канал передачи Авария", который отображается индикатором работоспособности 6 (фиг.1). Кроме того, данный сигнал поступает на вход элемента И 8. На второй вход элемента И 8 поступает сигнал с выхода анализатора 7. При наступлении перерыва в передаче сигнала на выходе анализатора 7 появляется сигнал "логической 1". Сигнал на выходе элемента И 8 разрешает измерение исправляющих возможностей измеряемого приемника 1 с помощью блока 9. Кроме того, сигнал элемента И 8 поступает на входы управления блоков 2 и 4 переключения. С помощью первого блока 2 переключения осуществляется отключение измеряемого приемника 1 от комплекта оконечной аппаратуры 3 и подключение к ее входу блока 10 контроля оконечной аппаратуры. С помощью второго блока 4 переключения осуществляется отключение выхода оконечной аппаратуры 3 от блока 5 измерения коэффициента исправного действия и подключение к ее выходу блока 10 контроля оконечной аппаратуры. Следовательно, в перерыве передачи информационных сигналов осуществляется контроль исправляющих способностей измеряемого приемников 1 и параметров комплектов оконечной аппаратуры 3. Результаты контроля отображаются с помощью индикатора 6 работоспособности. При появлении сигнала корреспондента на выходе анализатора 7 (сигнала "логического 0") на выходе элемента И также будет сигнал "логический 0". Данный сигнал подключает выход измеряемого приемника 1 к входу комплекта оконечной аппаратуры 3 с помощью первого блока 2 переключения, выход комплекта оконечной аппаратуры 3 к входу блока 5 измерения коэффициента исправного действия с помощью второго блока 4 переключения. Информационный сигнал, поступающий с измеряемых приемников 1 и комплектов оконечной аппаратуры 3 подается на устройство вероятностного прогнозирования УВП 12.
ОГ
ОГ
ОГ
треб
Устройство вероятностного прогнозирования 12 непрерывно оценивает изменяющиеся параметры. На первом этапе работы устройства вероятностного прогнозирования в блок памяти 12.2 с измеряемого приемника и комплекта оконечной аппаратуры поступают и записываются измеряемые значения: интенсивность отказов, расчетное время. Блок памяти 12.2 с помощью блока коммутации и измерения 12.1 сравнивает полученные значения, поступающие с измеряемого приемника и комплекта оконечной аппаратуры с заранее заданными расчетными значениями. Полученные значения поступают в ячейки памяти блока памяти 12.2, а также умножаются на коэффициенты веса блока 12.3. Далее с помощью блоков вычисления вероятностных характеристик априорной информации БВ1 12.4 и блока вычисления условных апостериорных вероятностей БВ2 12.5 оценивается техническое состояние и осуществляется прогнозирование времени возникновения отказа в n-измеряемых приемниках и n-комплектах оконечной аппаратуры на заданное время Δt, с заданной вероятностью, в течение которой n-измеряемый приемник и n-комплект оконечной аппаратуры будет находиться в работоспособном состоянии. Если полученные значения вероятности безотказной работы стремятся к величине, превышающей допустимые пределы, то блок индикации 12.7 выдает сигнализацию о вероятности появления отказа n-измеряемого приемника и n-комплекта оконечной аппаратуры. При этом блок управления 12.8 с выхода устройства вероятностного прогнозирования выдает управляющий сигнал на устройство управления и блок расчета коэффициента оперативной готовности о техническом состоянии n-комплектов оконечной аппаратуры и n-измеряемых приемников, где производится расчет К в соответствии с выражением (2), сравнение К и К  и вывод информации на блок индикатора работоспособности. С блока управления 12.8 устройства вероятностного прогнозирования информация поступает на устройство управления (фиг.1). Также на устройство управления приходит информация с блока контроля оконечной аппаратуры о техническом состоянии n-комплекта оконечной аппаратуры. Устройство управления осуществляет переключение на один из n-измеряемых приемников или n-комплект оконечной аппаратуры с помощью первого и второго блоков переключения, после чего поступает информация на блок индикации работоспособности о техническом состоянии КПЦИ. Конец работы.
Оценка эффективности предлагаемого устройства проводилась путем сравнения достоверности диагностирования полученных результатов при моделировании процесса эксплуатации устройства-прототипа и заявленного устройства.
1
1
При моделировании эксплуатации устройства-прототипа рассматривался один отказ в приемнике или в оконечной аппаратуре в реальный момент времени t, а при моделировании эксплуатации заявленного устройства рассматривались два отказа в n-измеряемых приемниках или n-комплектах оконечной аппаратуры в реальный момент времени t и за заданное время Δt.
По формуле (Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1988 г., 480 с.) определим достоверность оценки технического состояния КПЦИ:
где Ф - функция Лапласа;
N - количество моделируемых событий;
ош
р - реальное значение оценки полученных результатов моделирования;
- требуемое значение оценки результатов моделирования;
ε - величина доверительного интервала.
Определяем достоверность оценки технического состояния КПЦИ следующим образом:  Тогда:
Перейдем от функции Лапласа к ее аргументу (Иванов Е.В. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. СПб.: ВАС, 1992 г., 206 с.):
Тогда:
ош
ош
Для случая, когда р,  вычислить не удается, можно воспользоваться упрощенной формулой для наихудшего случая (р==0,5), тогда:
.
α1
α2
1
1
Тогда, определим t и t; принимая ε=0,05, а в прототипе рассматривается один отказ в момент времени t (N=1). В предлагаемом устройстве рассматривается минимум два отказа в моменты времени t и Δt(N=2):
;
.
Эффективность от применения заявленного устройства определяется с помощью аргументов функции Лапласа:
;
Таким образом, решается задача изобретения.