Исследование и оптимизация алгоритмов и устройств уровневой обработки сигналов в системах радионаблюдения
На правах рукописи
Бондарь Павел Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ И УСТРОЙСТВ УРОВНЕВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ
РАДИОНАБЛЮДЕНИЯ
Специальность 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства
телевидения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог – 2009
Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге на кафедре Радиоприемных устройств и телевидения
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор,
Плаксиенко Владимир Сергеевич
(Технологический институт ЮФУ
в г. Таганроге)
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор,
Федосов Валентин Петрович
(Технологический институт ЮФУ
в г. Таганроге)
кандидат технических наук, доцент,
Сучков Петр Валентинович
(ЮРГУЭС, г. Шахты Ростовской
области)
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Федеральное Государственное
Унитарное Предприятие
«ВНИИ «ГРАДИЕНТ»
(г. Ростов-на-Дону)
Защита диссертации состоится « 31 » августа 2009 г. в 1020 на заседании диссертационного совета Д212.208.20 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в Технологическом институте ЮФУ по адресу:
347928, г. Таганрог, Ростовской области, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.
С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке
Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону,
ул. Пушкинская, 148.
Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу:
347928, Ростовская область, г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44,
ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.20
Автореферат разослан « » июля 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
к.т.н., доцент Савельев В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одной из важнейших задач для теории и практики обработки сигналов является задача обеспечения высокой помехоустойчивости. Основные принципы теории потенциальной помехоустойчивости были сформулированы в 1946 г. академиком В.А. Котельниковым. Теория помехоустойчивости Котельникова предполагает знание всех параметров принимаемых сигналов. К. Шенноном была предложена системная оптимизация по виду кодирования.
В случае отсутствия априорных сведений о параметрах принимаемых сигналов, невозможно построить устройства, оптимальные по Котельникову и Шеннону. Подобная ситуация возникает при приеме и обработке сигналов устройствами радионаблюдения. В такой обстановке может быть реализован только широкополосный неоптимальный некогерентный прием. При некогерентном неоптимальном широкополосном приеме возможна оптимизация по огибающей сигнала, но при требовании сохранения формы сигнала подобная оптимизация сложно реализуема.
Линейный приемник устройства радионаблюдения состоит из набора фильтров, амплитудных детекторов (АД) и схемы принятия решений (СПР). Задачей СПР является принятие решения о том, в каком из каналов присутствует сигнал. В случае неполной априорной информации о частотах сигналов, моментах начала и окончания элементов сигнала, длительности элементов сигнала повышение эффективности линейных алгоритмов приема сигналов представляет сложную задачу.
Сравнение эффективности методов приема в описанных выше условиях производится по оценке помехоустойчивости. При этом основные усилия по ее повышению направлены на разработку систем первичной обработки сигналов, повышающих соотношение «сигнал/шум» на входах СПР.
Исследование статистических закономерностей превышений случайных процессов, протекающих в каналах устройств радионаблюдения, позволяет установить пути оптимизации алгоритма обработки сигналов.
С учетом особенностей работы устройств радионаблюдения в диссертации развит модифицированный метод комбинированного сложения, реализующий уровневую обработку и позволяющий повысить соотношение «сигнал/шум» на входах СПР при изменении длительности элементарного символа сигнала в широких пределах.
Следовательно, проблема повышения помехоустойчивости и оптимизация устройств уровневой обработки при широкополосном неоптимальном некогерентном приеме, в случае изменения длительности элемента сигнала в значительных пределах (до 103 раз), является актуальной научной задачей.
Объектом исследования являются методы и устройства обработки сигналов в системах радионаблюдения.
Предметом исследования являются закономерности в распределениях взаимных превышений процессов в каналах устройства обработки сигналов, алгоритмы и устройства комбинирования процессов в системах радионаблюдения.
Целью диссертационной работы является:
Повышение помехоустойчивости систем радионаблюдения в условиях априорной неопределенности о длительности принимаемых сигналов.
Основные задачи диссертации:
1. Создание алгоритмов формирования однопараметрических и двухпараметрических распределений взаимных превышений случайных процессов, поступающих на входы СПР.
2. Анализ детальных характеристик взаимных превышений случайных процессов с целью выявления информативных признаков, учет которых позволяет повысить помехоустойчивость системы в целом.
3. Оптимизация устройств, реализующих модифицированный метод комбинированного сложения, моделирование их статических и статистических характеристик. Изучение влияния переходных процессов на работу устройств и проверка их устойчивости.
4. Расчет и анализ потенциальной помехоустойчивости оптимизированного алгоритма с помощью моделирования на ЭВМ и лабораторных испытаний.
5. Исследование и оптимизация систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), построенных с применением алгоритма уровневой обработки.
Решение поставленных задач
1. Разработаны способы получения и алгоритмы формирования однопараметрических и двухпараметрических распределений взаимных превышений процессов при линейной и нелинейной обработке для независимых и зависимых процессов. Установлены информативные признаки превышений случайных процессов, учет которых позволяет повысить помехоустойчивость систем радионаблюдения.
2. Развит модифицированный метод комбинированного сложения для обработки сигналов в устройствах радионаблюдения.
3. Выполнено моделирование устройств, учитывающих детальные характеристики превышений процессов в каналах устройств при обработке сигналов.
4. Исследованы статические и статистические характеристики устройств уровневой обработки путем схемотехнического моделирования на ЭВМ и экспериментальных исследований.
5. Рассчитана потенциальная помехоустойчивость оптимизированного алгоритма в условиях некогерентного широкополосного приема.
6. Проведен анализ устойчивости и исследованы переходные процессы дискриминаторов с взаимными обратными связями (ДВОС), реализующих оптимизированный алгоритм.
7. Исследовано новое устройство ФАПЧ с фазовым ДВОС (ФДВОС). На основе метода нелинейного преобразования рассчитаны основные характеристики системы ФАПЧ с ФДВОС.
Научная новизна работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:
1. Предложена методика исследования детальных характеристик взаимных превышений процессов, позволяющая оптимизировать обработку дискретных сигналов в устройствах радионаблюдения.
2. Впервые исследованы детальные характеристики превышений случайных процессов при обработке по модифицированному методу комбинированного сложения для зависимых процессов.
3. Развит модифицированный метод комбинированного сложения для обработки дискретных сигналов, позволяющий повысить соотношение «сигнал/шум» на входе схемы СПР.
4. Впервые выполнено моделирование устройств, реализующих модифицированный метод комбинированного сложения при обработке АМ, ЧМ и ФМ-сигналов и показана эффективность таких устройств по сравнению с существующими устройствами, реализующими методы линейной обработки сигналов.
5. Исследована потенциальная помехоустойчивость и получены инженерные соотношения для расчета помехоустойчивости устройств, реализующих метод нелинейной обработки.
6. Рассчитаны основные характеристики системы ФАПЧ с ФДВОС и предложен новый, оптимизированный алгоритм его работы.
7. Выполнено моделирование и исследование оптимизированного устройства ФАПЧ с ФДВОС, реализующего уровневую обработку по модифицированному методу комбинированного сложения.
Практическая ценность проведенного исследования заключается в следующем:
Методика и результаты исследования статических и статистических дискриминационных характеристик позволяют выполнить сравнительную оценку помехоустойчивости различных алгоритмических и схемотехнических решений.
Использование ДВОС приводит к увеличению соотношения Рс/Рш на входе СПР в 3 раза, где Pc – мощность сигнала, Pш – мощность шума.
Потенциальная помехоустойчивость модифицированного алгоритма повышается в 10 раз при fT=5 и Рс/Рш=6 (где f – полоса приема, Т – длительность элементарного сигнала).
Формулы, полученные при расчете полосы захвата системы ФАПЧ с разными формами характеристик ФДВОС, могут использоваться для инженерных расчетов.
Новое оптимизированное устройство, реализующее модифицированный алгоритм комбинированного сложения, позволяет улучшить характеристики системы ФАПЧ: полоса удержания расширяется в 1,5 раза по сравнению с системой ФАПЧ и фазовым детектором с нерегулируемой характеристикой.
Реализация и внедрение результатов работы. Изложенные в диссертационной работе результаты исследований использованы в:
1) разработках Федерального государственного унитарного предприятия Таганрогский НИИ связи;
2) учебном процессе ТТИ ЮФУ при проведении лабораторных работ и курсовом проектировании;
3) учебном процессе ЮРГУЭС при проведении лабораторных работ и курсовом проектировании.
Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами.
Методы исследования основаны на использовании теории цепей и сигналов, методов обработки дискретных сигналов, математического моделирования, теории вероятности и статистической радиотехники, математических методов анализа с применением основ дифференциального и интегрального исчисления, схемотехнического моделирования на ЭВМ, методов экспериментальных исследований.
Обоснованность и достоверность результатов обусловлена использованием при исследованиях математических моделей, корректным использованием математического аппарата и логической обоснованностью выводов, а также результатами моделирования и экспериментальных исследований. Получено совпадение с известными результатами исследований, опубликованными в фундаментальной и периодической печати.
Основные положения, выносимые на защиту, следующие:
1. Результаты исследования однопараметрических и двухпараметрических законов распределения превышений и обоснование выбора информативных детальных характеристик превышений случайных процессов.
2. Алгоритм работы и структура оптимизированных устройств, реализующих модифицированный метод комбинированного сложения для обработки АМ-, ЧМ- и ФМ-сигналов.
3. Результаты моделирования и экспериментальных исследований устройств технической реализации модифицированного метода комбинированного сложения.
4. Результаты расчетов параметров системы ФАПЧ с ФДВОС.
5. Результаты моделирования системы ФАПЧ с ФДВОС, построенной с применением уровневой обработки.
6. Новое устройство ФАПЧ, свободное от возможности возникновения предельного цикла первого рода.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях, а также на научно-практических конференциях ТРТУ и ЮФУ, в том числе:
1) на VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, ТРТУ, 2006 г.).
2) на LII научно-технической конференции (г. Таганрог, ТРТУ, 2006 г.).
3) на 6-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодежь XXI века – будущее Российской науки» (г. Ростов-на-Дону, ЮФУ, 15 мая 2008 г).
4) на 2-ой Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2009» (г. Москва, МАИ, 20-23 апреля 2009 г).
5) на 20-й и 22-й Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ) в 2007 г. (г. Ярославль) и 2009 г.
(г. Псков) соответственно.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи, из них 2 ([7], [8]) в рецензируемых журналах из списка ВАК,
8 тезисов докладов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа написана на русском языке и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, включающих 5 наименований.
Общий объем диссертационной работы составляет 219 с. Основной текст диссертационной работы содержит 114 машинописных страниц, включает 149 рисунков по тексту, 2 таблицы, список литературы из 108 наименований на 10 с., и 5 приложений на 23 с.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ПО ГЛАВАМ
Во введении обоснована актуальность поставленной проблемы, сформулированы цели и основные задачи диссертационной работы. Приведено краткое содержание диссертации по главам, сформулированы основные задачи работы, обоснованы пути их решения, определены выносимые на защиту основные положения работы, показаны научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе проведен анализ известных способов приема и обработки дискретных сигналов в устройствах радионаблюдения.
В условиях значительной априорной неопределенности и при наличии достаточного времени для оценки параметров сигналов оптимизация систем радионаблюдения возможна на основе принципов адаптивного приема. Теоретическая и практическая радиотехника содержит достаточное количество способов синтеза оптимальных адаптивных алгоритмов при обработке в условиях априорной неопределенности. Однако в ряде практически важных случаев время наблюдения и принятия решения ограничено и техническая реализация методов адаптивного приема становится сложной. Поэтому рассматриваемая в диссертационной работе задача работы устройств радионаблюдения сводится к решению задачи повышения помехоустойчивости широкополосного неоптимального некогерентного приема.
Эффективным методом борьбы с замираниями и одним из способов повышения помехоустойчивости при широкополосном некогерентном приеме являются процедуры, близкие к процедуре разнесенного приема. Такие процедуры позволяют снизить глубину и длительность замираний путем комбинирования сигналов. Процедура комбинирования сочетает операции переключения и сложения и имеет существенные недостатки: паразитную АМ и коммутационные помехи.
В работе исследован модифицированный метод комбинированного сложения, свободный от указанных недостатков. Процедуры комбинирования при разнесенном приеме и обработки при решении задачи различения сигналов – аналогичны.
Функциональная схема технической реализации устройства комбинирования для случая обработки бинарных сигналов представлена на рис. 1, где ВУ1-ВУ3 – вычитающие устройства; Огр1-Огр2 – ограничители по минимуму; УУ1-УУ2 – управляемые усилители; Uупр – управляющее напряжение; Ф1-Ф4 – фильтры нижних частот. Блоки ВУ1, ВУ2, Огр1, Огр2, Ф1, Ф2 образуют ячейку ДВОС.
Алгоритм обработки основан на использовании статистических закономерностей во взаимных превышениях огибающих процессов в каналах устройства приема сигналов.
Работа устройства, реализующего модифицированный метод комбинированного сложения с применением уровневой обработки, описывается уравнениями:
 Рис. 1 |
(1)
где K – коэффициент усиления УУ1-УУ2, K1=K2=K и 0K<1; x1,2(t) – огибающие процессов на входах ДВОС; x1,2пф(t) – процессы на выходах Ф1-Ф2; x1,2п(t) – процессы на выходах ДВОС; 1[z(t)] – единичная ступенчатая функция Хэвисайда.
Результатом обработки, в соответствии с (1), является умножение процессов на весовые коэффициенты в каналах, величины которых пропорциональны уровням процессов, т.е. больший весовой коэффициент вводится в канал с большим уровнем, меньший весовой коэффициент – в канал с меньшим уровнем. После умножения и фильтрации следует операция вычитания процессов.
Также в первой главе сформулированы цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены основные детальные характеристики взаимных превышений случайных процессов, называемые в литературе выбросами. Энергию превышений процессов на интервале наблюдения однозначно характеризуют площади их взаимных превышений. Однако в реальном масштабе времени измерение и оценка площадей взаимных превышений представляют собой трудно разрешимую задачу. Поэтому в качестве информативных параметров взаимных превышений могут быть выбраны факт превышения, длительность превышения tп и уровень относительного превышения q, которые с учетом формы превышения позволяют выполнить оценку площади превышения.
Поскольку в реальных условиях работы системы радионаблюдения длительность символов принимаемых сигналов изменяется в широких пределах, построим гипотезу правдоподобия H0: сигналом будет считаться любое превышение, длительность tп которого превышает половину минимальной длительности сигнала Tсmin из числа ожидаемых. Взаимные превышения, длительности которых короче 0,5Tсmin, будем считать дроблениями, вызванными помехами.
На практике обработка сигналов в условиях априорной неопределенности может быть описана четырьмя ситуациями:
1. В одном из каналов воздействует огибающая шума, плотность вероятности которой распределена по закону Релея. В другом канале присутствует постоянное напряжение с порогом Uп.
2. В одном из каналов воздействует огибающая аддитивной смеси сигнала и шума, плотность вероятности которой распределена по закону Райса. В другом канале присутствует постоянное напряжение с порогом Uп.
3. В одном из каналов присутствует огибающая аддитивной смеси сигнала и шума, распределенная по закону Райса, в другом канале – огибающая шума, распределенная по закону Релея.
4. В обоих каналах присутствуют огибающие аддитивной смеси сигнала и шума, распределенные по закону Райса с различными значениями амплитуды сигнала. Этот
случай возникает при неточной настройке полосовых фильтров каналов при приеме ЧМ-сигналов.
Выполнено исследование однопараметрических и двухпараметрических законов распределения взаимных превышений процессов x1(t) и x2(t) по относительной длительности =tп/к, где tп – длительность превышения;
к – интервал корреляции, и по относительному превышению q для ситуации 3:
(2)
На рис. 2,а приведены результаты исследования превышений по относительному уровню процесса, распределенного по закону Релея, над процессом, распределенным по закону Райса, для двух значений соотношения Рс/Рш, определяемого параметром Райса «а» (а=2 и а=3). На рис. 2,б приведены результаты исследования превышений по относительному уровню процесса, распределенного по закону Райса над процессом, распределенным по закону Релея.
Из общего количества выборок 1000000 чисел, выбранного из соображений допустимой погрешности исследований, количество превышений П при а=2 (Рс/Рш=2) составило – 57398, при а=3 (Рс/Рш=4,5) – 21520. Анализ превышений по длительности показывает, что более 70% превышений составляют короткие дробления с длительностью tп0,5к. Чем меньше количество превышений, тем выше помехоустойчивость устройств обработки сигналов. Из приведенных результатов можно сделать вывод: оптимизацию приема сигналов в устройствах радионаблюдения можно реализовать путем сокращения количества взаимных превышений процессов.
На рис. 2,в приведены результаты исследования однопараметрических превышений по относительному уровню после обработки (1), а на рис. 2,г – по относительной длительности после обработки (1), исключающей короткие дробления малой длительности. Общее число превышений при а=2 и ф=0,5к (где
ф – интервал корреляции, задаваемый фильтрами в обратных связях) сокращается до 19372, для случая а=2 и ф=к число превышений сокращается до 10622.
Исследованы двухпараметрические распределения взаимных превышений процессов без и после обработки по модифицированному методу комбинированного сложения (1). На рис. 3 приведено двухпараметрическое распределение при а=2 без обработки, на рис. 4 после обработки при а=2 и ф=к. Результаты исследований и приведенные распределения показывают, что общее количество превышений существенно сокращается, при этом видоизменяется характер однопараметрических и двухпараметрических распределений таким образом, что улучшаются условия работы СПР (рис. 3, 4).
Дробления после обработки концентрируются либо в зонах длительных и больших по уровню превышений, либо в зоне коротких и малых по уровню превышений, что свидетельствует об эффективности обработки по алгоритму (1) и о возможности и целесообразности повторной обработки.
 |  |
| а Релей-Райс | б Райс-Релей |
 |  |
| в Райс-Релей после обработки (1) a=2 | г Райс-Релей после обработки (1) a=2 |
| Рис. 2 | |
 |  |
| Райс-Релей без обработки a=2 | Райс-Релей после обработки (1) а=2, ф=0,5к |
| Рис. 3 | Рис. 4 |
В третьей главе рассматривается техническая реализация алгоритмов уровневой обработки. Проведен анализ работы амплитудного ДВОС (рис. 1), описан принцип работы устройства, обоснована методика формирования дискриминационной характеристики амплитудного ДВОС (АДОС).
Исследованы статические дискриминационные характеристики в мягком (0<K<1) и в жестком режиме (K>1) режимах работы. Крутизна статической характеристики АДОС и выходное напряжение соответственно равны:
(3)
. (4)
Из формулы (4) следует, что выходное напряжение АДОС (в случае K0) будет в 1/(1-K) раз выше, чем у балансного АД, при этом ширина линейного участка характеристики уменьшается. При K=0 АДОС превращается в балансный АД.
Результаты моделирования статических и статистических (с учетом шумов) характеристик АДОС в среде Micro-Cap, представленные на рис. 5 и 6, подтверждают факт увеличения крутизны дискриминационной характеристики АДОС за счет введения обратных связей между каналами дискриминатора.
 |  |
| Рис. 5 | Рис. 6 |
Выполнен анализ переходных процессов в ДВОС, который сводится к решению дифференциальных уравнений вида:
(5)
Найденные частные решения уравнений (5) для случая 1=2 (где 1 и 2 – постоянные времени, учитывающие инерционность каскадов приемного устройства, подключаемого перед ДВОС) позволяют сделать вывод: использование обратных связей в ДВОС и инерционность ФНЧ приводят к увеличению времени переходных процессов по сравнению с балансными дискриминаторами без обратных связей.
Для проверки устойчивости ДВОС был проведен анализ коэффициентов корней уравнений (5) с использованием критерия Рауса-Гурвица. Установлено, что ДВОС устойчив при любых значениях коэффициентов K и любых воздействующих на него внешних возмущений.
В четвертой главе рассматриваются аналоговые частотные и фазовые дискриминаторы с взаимными обратными связями (ЧДОС и ФДОС соответственно), в состав которых входит ДВОС (рис. 1).
Структурную схему ЧДОС можно получить из схемы рис. 1, подключив ко входам ВУ1 и ВУ2 полосовые фильтры (ПФ), расстроенные относительно центральной частоты f0 на величину f. На рис. 7 представлено семейство статических дискриминационных характеристик ЧДОС для разных значений K и балансного частотного дискриминатора (БЧД), полученные в среде Micro-Cap. Характеристики, приведенные на рис. 7, описывают процессы, протекающие в каналах ЧДОС без учета воздей-
ствия помех. Известно, что воздействие помех приводит к снижению максимумов дискриминационной характеристики.
 |  |
| Рис. 7 | Рис. 8 |
 |  |
| Рис. 9 | Рис. 10 |
На рис. 8 приведены статистические характеристики ЧДОС (при Рс/Рш=4), на рис. 9 – флуктуационные характеристики ЧДОС и БЧД с подключенным к выходу линейным усилителем (коэффициент усиления Ку=3). Характеристикой, наиболее полно характеризующей параметры дискриминаторов (крутизна, линейность и размах характеристики) и степень устойчивости в условиях воздействия помех, является относительная дискриминационная характеристика, представляющая собой отношение:
, (6)
где M(f) – зависимость математического ожидания на выходе дискриминатора;
D(f) – флуктуационная характеристика дискриминатора. На рис. 10 приведены относительные дискриминационные характеристики ЧДОС и БЧД.
Результаты исследования позволяют сделать вывод: уровень постоянной составляющей на выходе ЧДОС при K>0 всегда выше, чем у БЧД. При установке значения K=0 статические дискриминационные характеристики ЧДОС и БЧД совпадают.
При использовании линейного усилителя после БЧД крутизна статической и статистической характеристик увеличиваются, однако анализ результатов, представленных на рис. 9 и рис. 10 показывает, что с ростом крутизны статистической характеристики не увеличивается крутизна относительной дискриминационной характеристики БЧД, поэтому на выходе БЧД происходит ухудшение соотношения Рс/Рш за счет внутренних шумов линейного усилителя.
Результаты моделирования подтверждают вывод, сделанный в главе 2 по результатам анализа двухпараметрических распределений без обработки и после обработки по модифицированному методу комбинированного сложения: ячейка ДВОС, реализующая алгоритм (1), уменьшает количество дроблений и повышает соотношение Рс/Рш. Результаты моделирования в среде Micro-Cap подтверждаются результатами экспериментальных исследований ЧДОС.
В работе рассчитана вероятность ошибочного приема ЧДОС, реализующего модифицированный метод комбинированного сложения по формуле (7):
 Рис. 11 |
(7)
На рис. 11 построены зависимости вероятности ошибочного приема сигналов Pош, построенные по формуле (7) от отношения средней энергии элемента сигнала к спектральной плотности помехи h2 при fT=5. Из рис. 11 можно сделать вывод: вероятность ошибочного приема ЧДОС, реализующего уровневую обработку по модифицированному методу комбинированного сложения, располагается между кривой вероятности ошибочного приема при широкополосном некогерентном приеме и кривой вероятности при широкополосном некогерентном приеме с ФНЧ после детектора. При соотношении Pс/Pш=6 широкополосный прием с ЧДОС обеспечивает выигрыш в 10 раз по сравнению с широкополосным некогерентным приемом.
В работе выполнено моделирование ФДОС в среде Micro-Cap, полученные результаты моделирования соответствуют данным математических расчетов характеристик ФДОС в пакете Mathcad.
В пятой главе проведены исследования системы ФАПЧ с ФДВОС с целью ее оптимизации. Рассматриваемая система приведена на рис. 12, где:
Изм-ль СКО – измеритель среднеквадратического отклонения, ПУ – пороговое устройство, С1-С2 – сумматоры, ПГ – перестраиваемый генератор, ФИ – фазоинвертор, УН – управляющее напряжение. Такая система ФАПЧ позволяет расширить полосу захвата по сравнению со схемой ФАПЧ, использующей ФД с нерегулируемой характеристикой. Необходимость регулировки К в процессе входа системы в режим слежения является недостатком прототипа, поэтому была предложено новое оптимизированное устройство. Оптимизированная система ФАПЧ с ФДВОС работает следующим образом.
В случае отсутствия шумов дискриминационная характеристика ФДВОС имеет форму, близкую к релейной. При этом УУ1, УУ2 имеют коэффициенты усиления, равные 0,9. Флуктуационная составляющая напряжения на входе измерителя СКО близка к нулю и не превышает установленного экспериментально порогового значения напряжения в ПУ. В результате, в случае отсутствия шумов, коэффициенты усиления УУ1 и УУ2 остаются неизменными.
 Рис. 12 |
При установке значений К=1 дискриминационная характеристика ФДВОС примет релейный вид и в системе ФАПЧ возникнет предельный цикл первого рода, сопровождаю-щийся периодическим изменением разности фаз.
В случае воздействия шумов и превышения ими величины порогового значения напряжения Uпор в ПУ, схема выработки УН сформирует напряжение, при котором коэффициенты усиления УУ1 и УУ2 будут эквивалентными значению 0,9 в случае работы без шумов.
Выполнены расчеты значения полосы захвата ФАПЧ с ФДВОС для различных форм характеристики с использованием метода нелинейного преобразования переменных для систем, близких к нелинейным консервативным, для ФНЧ 0, 1 и 2 порядков. При сравнении результатов расчета с литературными источниками сделаны выводы о том, что точность метода нелинейного преобразования переменных падает с ростом крутизны характеристики ФДВОС.
Результаты расчетов полосы захвата хорошо согласуются с результатами, полученными при моделировании системы ФАПЧ с ФДВОС в среде Micro-Cap. Показано, что применение системы ФАПЧ с ФДВОС при K=0,9 обеспечивает следующее изменение параметров по сравнению с системой ФАПЧ и ФД с нерегулируемой характеристикой (К=0): 1) полоса захвата увеличивается на 30% (рис. 13); 2) полоса удержания увеличивается на 50% (рис. 14).
На рис. 15 приведена кривая зависимости условной полосы захвата 
от коэффициента взаимной обратной связи K при соотношении Рc/Рш=4. При отсутствии шумов и при K=0 полоса захвата системы ФАПЧ с ФДВОС равна
4,3 кГц (точка А рис. 14), при соотношении Рс/Рш=4, она снижается до значения
3,2 кГц (точка B рис. 14). Уменьшение полосы захвата можно скомпенсировать увеличением коэффициента взаимной обратной связи K. При установке значения K=0,5 полоса захвата становится равной полосе захвата устройства без шумов.
Система ФАПЧ с ФДВОС сохраняет свою работоспособность при соотношении Рc/Рш равном 2 и более, обеспечивая стабильность полосы захвата системы.
Полученные при моделировании результаты показывают, что выбор величины К=0,9 позволит устранить возможность возникновения предельного цикла первого рода и приводит к незначительному проигрышу в полосе захвата в случае установки K=1 (рис. 13).
Регулировка крутизной характеристики ФДВОС осуществляется в зависимости от уровня шума на входе устройства, позволяя стабилизировать полосу захвата.
Разработанное новое устройство ФАПЧ позволяет сохранить достоинство применения ФДВОС – расширение полосы захвата и устранить главный недостаток прототипа: переключение крутизны для устранения предельного цикла первого рода.
В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.
Приложения к диссертационной работе содержат результаты статистического моделирования законов распределения случайных процессов; схемы моделирования устройств, реализующих модифицированный метод комбинированного сложения; результаты расчета полосы захвата при разных формах характеристики ФДОС по методу нелинейного преобразования.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
1. Созданы алгоритмы формирования однопараметрических и двухпараметрических распределений взаимных превышений случайных процессов, поступающих на входы СПР.
2. Исследованы информативные характеристики превышений случайных процессов по относительной длительности и уровню превышений для независимых и зависимых входных случайных процессов. Развит модифицированный метод комбинированного сложения сигналов, позволяющий повысить помехоустойчивость устройств в случае изменения длительности символов сигнала в широких пределах.
3. Разработаны принципы построения и методика исследования устройств технической реализации метода комбинированного сложения при обработке АМ, ЧМ и ФМ-сигналов с использованием взаимных обратных связей. Проведена их оптимизация, выполнено моделирование их статических и статистических характеристик. Изучено влияние параметров ДВОС (величины К и ширины полос ФНЧ в цепях обратных связей) на длительность переходных процессов, проведена проверка их устойчивости.
4. Выполнен расчет и анализ потенциальной помехоустойчивости оптимизированного алгоритма с помощью моделирования на ЭВМ и лабораторных испытаний.
5. Выполнено исследование, моделирование и оптимизация системы ФАПЧ с использованием ФДВОС. Новое устройство позволяет расширить полосу захвата по сравнению со схемой ФАПЧ, использующей ФД с нерегулируемой характеристикой.
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ РАБОТЫ:
1. Бондарь П.А., Кравченко Д.А., Чиглинцев О.Е. Особенности исследования помехоустойчивости приемников дискретных сигналов. // Материалы VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТРТУ, 2006. – С.24-25.
2. Кравченко Д.А., Иванков В.И., Бондарь П.А. Исследование регуляторов дискриминаторов. // Материалы VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТРТУ, 2006. – С.25-26.
3. Бондарь П.А. Моделирование и исследование амплитудных дискриминаторов с обратными связями. // Сборник трудов XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Т. 7. Ярославль, Изд-во ЯГТУ, 2007. – С.172-173.
4. Бондарь П.А., Плаксиенко В.С. Моделирование и исследование дробных частотных детекторов. // Сборник трудов XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Т. 7. Ярославль, Изд-во ЯГТУ, 2007. – С.174-175.
5. Плаксиенко В.С., Бондарь П.А. Исследование детальных характеристик превышений случайных процессов. // 1-й Межвузовский сборник научных статей ДГТУ – ТТИ ЮФУ «Системный анализ, управление и обработка информации». Издательство ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2007. – С.416-422.
6. Плаксиенко В.С., Бондарь П.А., Плаксиенко Н.Е. Исследование алгоритмов обработки дискретных сигналов, основанных на учете параметров превышений. // 1-й Межвузовский сборник научных статей ДГТУ – ТТИ ЮФУ «Системный анализ, управление и обработка информации». Ростов-на-Дону, Изд-во ДГТУ, 2007. – С.422-427.
7. Бондарь П.А. Моделирование и исследование частотных детекторов на основе кольца фазовой автоподстройки частоты. // Известия ЮФУ. Технические науки №1, 2008. –С.36.
8. Бондарь П.А. Характеристики устройств обработки сигналов с угловой модуляцией. // Известия ЮФУ. Технические науки №1, 2008. – С.38-39.
9. Бондарь П.А. Исследование фазовых дискриминаторов с обратными связями. // Материалы IX Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. Т.1. – С.45-46.
10. Бондарь П.А. Применение фазовых дискриминаторов с обратными связями в системе ФАПЧ. // 2-я Всероссийская конференция ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2009». Тезисы докладов. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. – С.40-41.
11. Плаксиенко В.С., Плаксиенко Н.Е., Бондарь П.А. Особенности моделирования частотных детекторов. // Сборник трудов Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-22. Т. 8. Секция 9. Псков, Изд-во ПГПИ, 2009. – С.36-38.
12. Плаксиенко В.С., Бондарь П.А. Исследование балансных частотных детекторов. // Сборник трудов Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-22. Т. 8. Секция 9. Псков, Изд-во ПГПИ, 2009. – С.38-39.
В работах [1-6] лично Бондарю П.А. принадлежат следующие результаты: разработана методика моделирования случайных процессов с заданными параметрами, предложены модели регуляторов дискриминаторов; в работах [11, 12] выполнено моделирование частотных дискриминаторов с обратными связями, исследованы их статистические характеристики.
Соискатель Бондарь П.А.
Типография Технологического института
Южного федерального университета в г. Таганроге
347928, Таганрог, ГСП-17А, ул. Энгельса, 1.
Тираж 100 экз.
