Введение к работе
Актуальность. Развитие материально-технической базы современного общества возможно лишь на основе постоянного совершенствования методов и средств промышленного производства и научных исследований. Сказанное относится ко всем областям, в том числе к радио- и телевизионной технике, автоматике и приборостроению, информационно-измерительным системам.
Среди обширного арсенала способов обработки и преобразо -вания сигналов в устройствах, относящихся к названным областям, важная роль отводится фазовым и частотным методам. Последние позволяют решить множество таких задач, которые либо невозмо -жно, либо весьма затруднительно решить другими способами.
В числе проблем, касающихся обработки сигналов с фазовым (временным) и частотным представлением информации, особое место занимает дискриминирование (различение) сигналов по фазе и частоте. Регистрация относительных фазовых и частотных параметров сигналов является важнейшей операцией во многих технических системах, эффективность которых, характеризующаяся такими показателями как точность, быстродействие, стабильность работы, функциональная универсальность и т.д., во многом зависит от свойств фазовых и частотных дискриминаторов (ФД/ЧД).
Методам сравнения фаз и частот, их реализации и
применению посвящено большое количество работ как
отечественных, так и зарубежных ученых и специалистов.
Развитие научно-технического прогресса выдвигает на
повестку дня новые и все более сложные задачи, решение которых
традиционными средствами становится неэффективным. Поэтому
поиск и исследование прогрессивных способов фазового и
частотного дискриминирования являются актуальной
необходимостью. Одним из путей в данном направлении является создание фазовых и частотных дискриминаторов на основе логических методов обработки сигналов, ориентированных на использование современной элементной базы, позволяющей повысить технологичность и расширить сферу применений рассматриваемых устройств.
Цель и задачи исследований. Данная работа имеет своей целью повышение эффективности радиотехнических и информационно-измерительных средств, основанных на фазовых и
частотных методах обработки сигналов. Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:
- разработка теории одного из перспективных направлений
сравнения фаз и частот - позиционно-логического анализа
сигналов;
создание прогрессивной методики синтеза фазовых и частотных позиционно-логических дискриминаторов (ФПЛД / ЧПЛД) с целью инженерной реализации их функциональных особенностей;
совершенствование и расширение эффективных научно-технических приемов использования ПЛД в различных устройствах, приборах и комплексах.
Методы исследования. Изучение принципов позиционно-логического дискриминирования основывается на анализе взаимного положения элементов входных сигналов на временной (фазовой) оси. С учетом преимуществ цифровой элементной базы указанный подход ограничен бинарным законом взаимодействия указанных сигналов, что позволило в рамках булевой алгебры и алгебры событий сформулировать общие алгоритмы функционирования ПЛД и построить их абстрактную структурную схему. Введение новых понятий (t,A,X)-мерности, класса частот
бинарного преобразования, блок-регулярности сигналов дало возможность получить аналитические выражения для дискриминационных характеристик ПЛД, являющихся базовыми для расчета параметров этих устройств и построения их моделей.
Теоретические концепции ПЛД использованы при изложении структур, режимов работы и свойств различных устройств, в состав которых входят те или иные позиционно-логические ФД и ЧД и которые призваны для демонстрации возможностей и сферы применения ПЛД.
Кроме двоичной алгебры логики и алгебры регулярных событий для решения поставленных задач были привлечены следующие разделы математики: числовые и функциональные ряды, дискретное (Z) преобразование, линейные графы (топологический анализ), теория спектров, дифференциальные уравнения. Использованы также многие положения теории автоматического регулирования. В ряде случаев были проделаны необходимые расчеты на ЭВМ.
Уровень диссертационной работы по совокупности основных положений и результатов может быть классифицирован как крупное достижение в развитии актуального направления по логической
обработке относительных фазовых и частотных параметров сигналов. Это подтверждается публикациями, патентом, сертификатом и авторскими свидетельствами на новые способы, структуры, устройства, приборы и системы, использующие позиционно-логический анализ сигналов.
Научная новизна работы заключается в теоретическом обобщении позиционно-логических методов определения разности фазовых (уР) и частотных (fp) параметров сигналов как частных случаев бинарного взаимодействия ансамблей Пэ, Пн регулярных последовательностей Пэ1еПэ, Лн-єП„ (є - знак принадлежности) дискретных элементов хЭ1-еХэ, хн;єХн (ХЭ,ХН -множества (алфавиты) элементов хэ;+*Пэ;, хн:<н>Пн.-\ <-> - знак
взаимного соответствия; / є J3 = {1,2,... | Хэ I}, j є JH -
= {1,2,...! Хн !}) в координатах (t, А) любой физической природы.
При t, соответствующем времени, и А - состоянию элементов хеХ ансамбли П3, Пн могут рассматриваться как абстрактные (t,A,X)-мерные сигналы, к которым применимы классические понятия фаз ц>э<г+Пэ, фн<-»/7н и частот /Э<-*ПЭ, /н<-»/7н. Причем параметры /э, fH в общем случае должны быть соотнесены с периодами Тэ= 1//э, Тн= MfH повторения групп (блоков) БЗТ<^ПЭ, БНГ<->Г7Н, включающих все элементы алфавитов Хэ, Хн . Такой подход позволяет исследовать Пэ, Пн как блок-регулярные последовательности существенно-различных элементов и применять к ним все известные операции для обычных (t, А )-мерных сигналов. Последнее дает возможность решить задачу выделения \\)р, fp в расширенном смысле, когда /э^/н4^ тэ1тн {тЭ'тн ' целые числа) и включает подклассы равных, кратных и некратных частот.
Нахождение ціР, fP логическими методами достигается дискретизацией разности положений /7Э, Пн на оси Ч> посредством j>-элементов и анализом их чередования (г-событий) при изменении 1|/Р. Класс регулярных г-событий обеспечивает математическое описание алгоритмов работы известных, а также новых типов ПЛД и синтез их структур.
Предложенный подход к принципам функционирования ЛД последовательно приводит к определению системы параметров, дискриминационных характеристик и моделей ПЛД, а также
4 допустимых вариаций /э, fH.
Комплексный анализ ПЛД завершен различными примерами их использования с получением полезных качественных или количественных тактико-технических показателей, демонстрирующих перспективность ЛД для решения научных и прикладных задач.
Достоверность полученных результатов проверялась многочисленными расчетами для очевидных или проверенных ситуаций, физическим макетированием и многолетней эксплуатацией различных приборов и комплексов, основанных на теоретических и технических идеях диссертационной работы.
Практическая ценность и реализация результатов. Практическая значимость разработанной теории заключается в возможности объективной оценки свойств ПЛД, расчета их параметров и, что особенно важно, проектирования фазовых и частотных ПЛД с заранее заданными характеристиками.
Созданные схемы ФПЛД / ЧПЛД позволяют с учетом имеющегося базиса элементов осуществлять непосредственное применение таких дискриминаторов в различных ситуациях.
Предложенные устройства, приборы и системы, базирующиеся на ПЛД, раскрывают специфику сопряжения последних с сопутствующими узлами и дают направления использования позиционных ЛД при решении научно-технических задач.
Какие свойства ПЛД выделяют эти дискриминаторы из общего ряда ФД / ЧД ? Одно из них - точность, обусловленная алгоритмом работы и синхронностью выходных сигналов по отношению к одной из дискриминируемых последовательностей. Это дает возможность строить не только помехоустойчивые цифровые структуры, но и прецизионные аналого-цифровые измерительные и преобразующие устройства, результат работы которых определяется параметрами эталонного генератора периодических сигналов. Другое ценное качество ПЛД - их многочастотность. Они способны обрабатывать широкий диапазон как равных, так и кратных частот без предварительного деления большей частоты, анализируют близкие частоты, объединяя в себе при этом признаки классических дискриминаторов нулевых биений и умножителей частоты, допускают сравнение любых частот, отношение которых выражается рациональным числом. Третье - высока? чувствительность в некоторых режимах фазового и частотногс дискриминирования, что позволяет определять весьма малые отклонения анализируемых параметров входных сигналов
Четвертое - технологичность и стабильность, обусловленные
логическими принципами обработки сигналов. Пятое - аппаратная
гибкость за счет сочетания цифровых и аналоговых методов
реализации. Шестое - комплексное свойство - функциональная
универсальность применения для решения широкого круга задач в
различных областях науки и техники. Такие возможности ПЛД, как
объединение в одной схеме признаков ЧД и ФД, повышение
крутизны дискриминационной характеристики, расширение
частотного диапазона входных сигналов, прецизионная и
оперативная синхронизация, стабилизация параметров
радиотехнических, телевизионных и информационно-
измерительных систем, улучшают метрологические и эксплуатационные характеристики последних и делают ПЛД в определенных ситуациях незаменимыми элементами.
Применение ЛД в ряде случаев позволяет создать устройства, приборы и системы, которые по многим показателям превосходят известные аналоги или таковых не имеют. Последнее подтверждается конкретными данными, опубликованными во многих работах (в том числе за рубежом), отзывами специалистов, патентом, а также сертификатом на серийную продукцию.
Все научные и практические исследования по ПЛД выполнены в рамках НИР и ОКР в соответствии с решениями Правительства СССР и конверсионными программами РФ, важнейшие из которых следующие: № 57-70 - «Исследование принципа построения цифрового синтезатора», № 27-72 - «Дельта-3», № 47-73 - «Ключ», № 43-74 - «Фрагмент- 4», № 3-75 - «Исследование и доработка многоканальной системы сбора, передачи и регистрации информации», № 47-76 , № 39-77 - «Череда МПСС», № 24-78, № 25-80 - «Эхо-3», № 45-80 - «Обрыв», № 53-83 - «Эхо-4», № 54-86 -«Шевалы-РРТИ», № 18-93Г - «Ультразвуковой регистратор нестационарности среды в локальном объеме», № 33-94Г-«Комплекс технических средств защиты информационно-производственной деятельности», № 23-95Г - «Технические средства систем мониторинга, № 29-96 - «Исследование и разработка асинхронно-адресных диспетчерских систем телесигнализации с линиями связи, использующими серийные приемопередатчики УКВ диапазона», № 38-96Г - «Методы и средства ультразвуковой пространственной ориентации для слепых», № 2-97Г - «Комплекс электронных средств защиты объектов и информации», № 12-99Г - «Алгоритмы и методы
маскирования служебной речевой информации посредством синхронных и асинхронных фазочастотных предыскажений». Часть материала диссертации была положена в основу инициативных договоров на передачу научно-технических достижений: НТ-1 от 17.11.82 г. и НТ5-84 от 14.02.85 г..
Результаты диссертационной работы, как показывают акты приема-сдачи научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, договоров на передачу научно-исследовательских достижений и договоров купли-продажи, внедрены на Рязанском приборном заводе, Рязанском радиозаводе, ЦАГИ, п/я В-8828, п/я Р-6308, Московском вертолетном заводе им. М.Л. Миля, Тираспольском заводе литейных машин им. СМ. Кирова, Петровском электромеханическом заводе «Молот», ППК «ЮГС», в охранных комплексах Рязани и Иркутска. Многие теоретические положения и технические идеи по ПЛД использованы в Рязанском радиотехническом институте (Рязанской государственной радиотехнической академии) при проведении научных исследований и в учебном процессе.
Публикации и апробация. Результаты диссертации отражены в 130 научных работах, среди которых одна монография, 58 авторских свидетельств, один патент, 54 статьи, 17 тезисов (111 трудов опубликованы в центральной печати, две работы депонированы).
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференции Рязанского радиотехнического института (Рязанской государственной радиотехнической академии), Всесоюзной конференции «Совершенствование технологии приборостроения на основе последних достижений науки и техники» (г. Москва, 1973 г.), ІІ Всесоюзной конференции «Развитие теории и техники сложных сигналов» (г. Севастополь, 1983 г.), Всесоюзном семинаре «Проблемы создания систем передачи и телеобработки данных в ИВС и АСУ» (г. Рязань, 1985 г.), семинаре «Управление и регулировка радиоприемных и усилительных устройств» секции радиоприемных устройств и усилителей при ЦП и МГП НТОРЭС им. А.С. Попова (г. Москва, 1986 г.), Республиканской конференции «Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации» (г. Киев, 1986 г.), Всесоюзных конференциях «Развитие и совершенствование устройств синхронизации в системах связи», «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Горький, 1988 г.), XLIV Всесоюзной конференции «Методы и
средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве» (г. Свердловск, 1989 г.), Ill Всесоюзной конференции «Совершенствование технической базы, организации и планирования телевидения и радиовещания» (г. Москва, 1990 г.), Всесоюзной конференции «Высшая школа России и конверсия» (г. Москва, 1993 г.), Международных коференциях «Технология и системы сбора, обработки и представления информации» (г. Рязань,1993 г., г. Москва, 1995 г.), Всероссийской конференции «Направления развития систем и средств радиосвязи» {г. Воронеж, 1996г.), 2й Международной конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (г. Рязань, 1998 г.), LIV научной сесии, посвященной дню радио (г. Москва, 1999 г.), Международной конференции "Конверсия, приборостроение, медицинская техника" (г. Владимир, 1999 г.).
Личный вклад автора. Список авторских трудов по теме диссертации включает 59 наименований (из них одна монография, 29 авторских свидетельств, одна статья депонирована, 26 изданы в центральной печати). Кроме того, 71 публикация подготовлена совместно с аспирантами, соискателями и сотрудниками, официальным научным консультантом или руководителем которых был автор диссертационной работы. Им лично написаны соответствующие разделы в 19 отчетах по НИР, посвященных разработке темы диссертации, проведены теоретические и практические исследования по всем аспектам ПЛД, смакетированы почти все схемы дискриминаторов и устройств на их основе, составлены программы и проведены необходимые расчеты на ЭВМ.
Все научные положения, представленные в диссертации и опубликованные в совместных трудах, выдвинуты автором диссертации. Техническая реализация и математические исследования в совместных работах сделаны либо в процессе коллективного творчества, либо после согласования независимо полученных результатов.
Структура работы. Диссертация состоит из оглавления (6 страниц), введения (12 страниц) , трех глав (301 страница, в том числе 172 рисунка и 56 таблиц), заключения (6 страниц), приложений (92 страницы), списка литературы (33 страницы, 327 наименований) и списка сокращений (6 страниц).
На зашиту выносится следующее.
1. Структура абстрактного (t,A, X) -мерного сигнала,
обеспечивающая логико-аналитическое представление
взаимодействия двух колебаний.
-
Методика позиционно-событийного анализа бинарного взаимодействия сигналов.
-
Аналитические выражения для фазовых и частотных дискриминационных характеристик ПЛД и их модели.
-
Классы входных частот ПЛД и допустимые пределы их вариаций для /-инвариантного взаимодействия сигналов,
5. Реализация предложенных алгоритмов позиционно-
логической обработки для различных видов входных колебаний.
-
Система параметров ПЛД и влияние на них подклассов частот.
-
Методика синтеза узлов и полных схем ПЛД для различных алгоритмов их работы.
8. Функциональные узлы, устройства и приборы использующие
ПЛД и обеспечивающие более высокие количественные и
качественные технические и эксплуатационные показатели по
точности, функциональности, быстродействию, технологичности,
эргономике и диапазону частот.
