Введение к работе
Актуальность- темы. Физические цепи линий связи (ЛС) являются важным компонентом любой системы связи, радиоэлектронной системы, информационно-измерительных систем, летательных аппаратов и т.д. Одной из важнейших проблем, связанных с использованием цепей связи (ЦС), является их электромагнитная совместимость (ЭМС). Под й.'.С ЦС понимается проблема обеспечения передачи сигналов по цепям с заданными качественными показателями (отношение сигнал/помеха или вероятность ошибки) при воздействии электромагнитных помех. Основными источниками помех в ЦС являются электромагнитные влияния соседних цепей и внешние мешающие электромагнитные влияния.
Особенно остро проблема ЭМС ЦС возникает в технике проводной связи. Именно взаимные электромагнитные влияния между цепями часто ограничивают возмездное число передаваемых по ним каналов аналоговых или цифровых систем передачи (ЦСП), а также длину регенерационных участков ЦСП. В настоящее время в связи с разработкой и внедрением ЦСП, а также новых аналоговых систем передачи (АСП) резко расширился частотный диапазон сигналов, передаваемых по цепям 1С, и возникла необходимость в анализе внешних и взаимных электромагнитных влияний в неустановившемся (импульсном) режиме. Существующая теория электромагнитных влияний дает существенные погрешности при анализе влияний между цепями в спектре частот, занимаемых ЦСП, и не отражает физических процессов, происходящих- в многопроводных 1С на высоких Частотах. Это связано, прежде всего, с допущениями, которые принимались при выводе уравнений влияний и обосновывались ограниченностью частотного диапазона существующих АСП. Кроме этого, для ЦСП важно знать не только частотные характеристики, но и временные характеристики передачи (ВХП) и влияния (ВХВ), отображающие изменение мгновенных значений сигнала и помехи во времени.
Вопросы Э!,'.С ЦС остро встают и в различных радиоэлектронных системах и летательных аппаратах, в которых ЦС наряду с активными элементами являются важным компонентом электронных цепей,
во многом определяющих работоспособность и качество систем в целом. В связи с .этим на стадии проектирования технических объектов (ТО) возникает настоятельная необходимость в анализе ЭМС ЦС при передаче аналоговых и цифровых сигналов. Практика разработки кабельных сетей внутриобъектовой связи показывает, что сроки и стоимость их разработки тем меньше, чем на более ранних стадиях удается учесть требования ЭМС. Поэтому перед разработчиками ТО остро стоит проблема проектирования кабельных сетей объектов с учетом ЭМС ЦС. Для решения данной проблемы необходимы методы анализа ЭМС ЦС, в основу которых долина быть положенаединая теория электромагнитных влияний при передаче аналоговых и цифровых сигналов.
Таким образом, возникла актуальная проблема развития теории и методов анализа ЭМС ЦС при передаче аналоговых и цифровых сигналов с учетом многообразия конструкций ЦС, произвольного взаимного расположения взаимовлияющих цепей, их различной протяженности, асимметрии и несогласованности ЦС, неоднородности экранов и т.д.
Целью диссертационной работы является развитие теории электромагнитных влияний и методов анализа ЭМС различных конструкций цепей внутриобъектовой связи и кабелей дальней связи при передаче аналоговых и цифровых сигналов.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
1. Развитие теории многосвязанных цепей с распределенными
параметрами. Разработка методики решения обобщенной системы
телеграфных уравнений (ОСТУ) методом последовательных при
ближений. Вывод интегральных уравнений, описывающих электро
магнитные влияния между цепями и распространение сигналов по
ЦС с учетом произвольного расположения цепей, их несогласова
нности и многократного перехода энергии между цепями. Получе
ние- интегральных уравнений, описывающих внешние электромагнит
ные влияния на многопроводные ЛС с учетом электромагнитных
связей между цепями.
2. Разработка математических моделей и исследование элек
тромагнитных влияний между различными конструкциями ЦС мно-
гопроводных линий внутриобъектовой связи ТО и кабелей дальней связи в частотной и временной областях. Анализ электромагнитных влияний между ЦС при различных путях "перехода энергии, составляющих связей, законах изменения связей по длине ЛС с учетом произвольного расположения взаимовлияющих и соседних цепей 1С, произвольных значений нагрузочных сопротивлений, асимметрии цепей, эксцентриситета в расположении внутреннего и внешнего проводников коаксиальных цепей (КЦ), различных конструкций проводников и экранов.
-
Разработка методик идентификации электромагнитных влияний между ЦС по измеренным частотным или временным характеристикам влияния. Исследование влияния электромагнитных связей между цепями многопроводной ЛС на параметры передачи ЦС.
-
Разработка методов анализа ЭМС цепей внутриобъектовой связи ТО. 'Создание алгоритма и пакета программ для анализа и прогнозирования ЭМС ЦС многопроводных ЛС при передаче аналоговых и цифровых сигналов. Разработка методик расчета искажений импульсных сигналов в ЦС.
-
Разработка математических моделей и исследование электромагнитных влияний і.'.ежду цепями в строительных длинах и на элементарных кабельных участках ОКУ) ЦСП. Установление связи между частотншда и временными характеристиками влияния и разработка рекомендаций по контролю за ЗМС цепей симметричных кабелей связи (КС). Разработка методов расчета ВХВ на входах решающих устройств регенераторов, методик анализа ЗМС ЦС и практических рекомендаций по. обеспечению их 3"С в линейных трактах ЦСП.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы решения дифференциальных уравнений, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, теории цопей, вероятностей и операционных преобразований. Использовались также средства вычислительной техники. Выводы и рекомендации, сформированные в работе, основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях.
Личный вклад. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Разработана теория многосвязанных цепей с распределенными параметрами, основанная на математическом описании электромагнитных процессов ОСТУ и ее- решение методом последовательных приближений. Впервые получены интегральные уравнения первых трех итераций, описывающие электромагнитные влияния между ЦС, внешние электромагнитные влияния на многопроводные JIG с учетом взаимных электромагнитных влияний между цепями и распространение сигналов с учетом нерегулярностей цепей и многократного перехода энергии через соседние цепи ЛС.
-
Получены обобщенные уравнения влияния для ЦС произвольной конструкции, записанные в виде итерационного ряда комплексных передаточных функций влияния. Дано математическое описание электромагнитных процессов в асимметричных цепях многопроводных ЛС.
-
Развита теория и разработаны математические модели электромагнитных влияний между симметричными цепями (СЦ) многопроводных ЛС в частотной и временной областях. Проведен теоретический и экспериментальный анализ изменения амплитудно-частотных, фазочастотних,и временных характеристик влияния в зависимости от длины, частоты, времени, путей перехода энергии, характера изменения связей по длине, скрутки и комбинаций цепей. На базе проведенного анализа разработаны методики идентификации, позволяющие йо измеренным частотным или вре-мснным характеристикам влияния построить математические модели электромагнитных влияний между ЦС.
-
Развита теория и разработаны математические модели электромагнитных влияний между КЦ, КЦ и СЦ, экранированными СЦ, КЦ и экранированными СЦ в частотной и временной областях. Полученные формулы справедливы для различных конструкций экранов и внешних проводников КЦ и-учитывают несогласованность цепей, разное состояние промежуточных цепей и эксцентриситет в расположении внутреннего и внешнего проводников КЦ.
-
На базе нормализованных ВХП разработана методика расчета искажений импульсных сигналов в одиночных несогласованных ЦС и ЦС многопроводных ЛС с учетом двойного перехода
- б -
энергии через соседние" цепи.
-
Разработаны спектральный и временной i.-етоды анализа ЭМС ЦС с использованием детерминированных и вероятнпстньгх методов расчета помех на концах ЦС. На базе полученных аналитических выражений, описывающих электромагнитные влиянии между различными конструкциями несогласованных ЦС при их произвольном расположении, разработан пакет программ, позволяющий проводить анализ ЭМС ЦС при передаче аналоговых и цифровых сигналов.
-
Разработаны детерлнированные и вероятностные математические модели электромагнитных влияний в строительных длинах высокочастотных симметричных КС и на ЭКУ ЦСП. Разработан метод расчета ВХВ на регенерационном участке по форме кодового импульса на выходе участка "кабелы-корректор" ЦСП. Предложено для расчета мгновенных значений помехи на входе решающего устройства регенератора пользоваться диаграммами 3X3. Разработаны математические модели для расчета вероятностных па- . раметров ВХВ на входе решающих устройств регенераторов. Получены аналитические выражения для расчета результирующего влияния между цепями на ЭКУ ЦСП.
-
Разработан метод расчета ВХВ на входе решающего устройства регенератора ЦСП, основанный на использовании интеграла свертки, ВХВ между цепями на ЭКУ и характеристик корректирующего усилителя регенератора или сквозного канала "кабель+кор-ректор" ЦСП.
-
Разработаны методики спектрального и «ременного методов анализа Э,5С ЦС в линейных трактах ЦСП с использованием детерминированных и вероятностных моделей электромагнитных влияний между цепями.
Практическая ценность. Разработаны основы единой теории внесних и взаимных электромагнитных влияний различных конструкций ЦС кногопроводных ЛС, электромагнитные процессы в которых описываются ОСТУ. Получены обобщенные уравнения влияния для ЦС в виде итерационного ряда комплексных передаточных функций влияния, которые легли в основ., разработанных математических моделей электромагнитных влияний ЦС
Разработаны детерминированные и вероятностные математичес-
кие - 7 -
кие модели и методики расчета электромагнитных влияний между различны:.:/! конструкциями ЦС в частотной и временной областях, на которых базируются описанные методы анализа ЇЇ.ІС ЦС.
Предложены методики идентификации электромагнитных влияний кезду СЦ. Разработаны методики определения первичных параметров влияния ЦС по результатам измерения частотных и временных характеристик влияния.
Разработан пакет программ, позволяющий проводить расчет электромагнитных влияний и анализ Э[,.С различных конструкций ЦС в частотной и временной областях.
Предложенные аналитические выражения для расчета результирующего влияния между цепями на ЭКУ ЦСП позволяют по значениям защиїденностеи г.;ежду цепями в строительных длинах рассчитать результирующее влияние на ЭКУ в частотной области и на участке "кабелы-корректор" во временной области, и наоборот, по требуемой импульсной защищенности на входе решающего устройства регенератора определить допустимые значения защищенностей между цепями на полутактовых частотах ЦСП в строительных длинах и на ЭКУ.
Рекомендуется контроль за электромагнитными влияниями между цепями в строительных длинах и на ЭКУ осуществлять по результатам измерений результирующих влияний на полутактовых частотах линейных сигналов ЦСП. Разработаны методика контроля и 8-канальный измеритель результирующих переходных затуханий ИЗКЛ-8/І7.
Предложены методы обеспечения Э1.1С ЦС в линейных трактах ЦСП.
Реализация в народном хозяйстве. Основные теоретические положения анализа и обеспечения ЭАС ЦС, разработанные детерминированные и вероятностные математические модели электромагнитных влияний в частотной и временной областях, результаты теоретических и экспериментальных исследований% методы расчета ВХЗ внедрены в ЦНИИС и НИИ ЦСПИ "Такт" и использовались при определении допустимых длин реге-нерационных участков, выборе кодов линейных сигналов ЦСП, оптимизации корректирующих усилителей регенераторов, определении норм на параметры электромагнитных влияний между цепями в строительных длинах и на ЭКУ ЦСП, выборе методов контроля
за обеспечением ЭМС ЦС, а также при разработке ряда нормативных документов.
Разработанные рекомендации по контролю за ЭМС ЦС в строительных длинах и на ЭКУ ЦСП, ко?тлект измерительных приборов ИЗЮІ-8/І7, методики нормирования и измерения результирующей защищенности между цепями, рекомендации по обеспечении ЭМС ЦС в линейных трактах ЦСП одобрены ЦНИИС, ГЦУ НС и внедрены на опытной линии в ТПО-4 и в Мытищинском научно-исследовательском институтр радиоизмеритпльных приборов (МНИИРИП).
Разработанные методики идентификации и математические модели электромагнитных влияний, рекомендации по нормированию и контролю электромагнитных влияний между цепями, методика подбора шагов скрутки ЦС внедрены на Куйбышевском заводе кабелей связи и Б5 ВНИИКП и использовались при выполнении ОКР, модернизации существующих и разработке новых кабелей связи применительно к требованиям ЦСП, определении норм на параметры влияния цепей кабелей связи.
Основные теоретические положения и .алгоритм анализа ЭМС ЦС, аналитические выражения и методики расчета помех, рекомендации по обеспечению ЭМС ЦС, разработанный пакет программ внедрены на ряде предприятий и используются при анализе и прогнозировании ЭМС ЦС ТО, проектировании кабельных сетей ТО с учетом ЭМС ЦС, а также при разработке ОСТ "Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Физические цепи кабелей, размещенных на типовом объекте (изделии). Методы и средства-анализа, прогнозирования и испытаний помехозащищенности", включенного в "Программу стандартизации и унификации изделий отрасли на 1991-1995г.г.".
Разработанная теория миогосвязанных цепей с распределенны-г.-и параметрами, основные теоретические положения анализа и обеспечения ЭМС ЦС, формулы и методики расчета внедрены в учебный процесс Поволжского института информатики, радиотехники и связи и Новосибирского электротехнического института связи.
Основные положения, выносимые на защит Уі
-
Теория слабосвязанных и слабонерегулярных цепей многопроводных ЛС,_ базирующаяся на математическом описании электромагнитных процессов ОСТУ, и ее решение методом последовательных приближений.
-
Обобщенные интегральные уравнения, записанные в виде итерационного ряда комплексных передаточных функций влияния и описывающие электромагнитные влияния меаду произвольными конструкциями ЦС, внешние электромагнитные влияния на многопроводные ЛС с учетом взаимных электромагнитных влияний между цепями и распространение сигналов с учетом нерегулярностей цепей, их несогласованности и многократного перехода энергии через соседние цепи ыногйпроводных ЛС.
-
Математические модели, методики расчета, результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных влияний между различными конструкциями ЦС при их произвольном взаимном расположении в многопроводных ЛС, в частотной и временной областях, полученных из уравнений влияний первых четырех итераций.
-
Методики идентификации, позволяющие по измеренным частотным или временным характеристикам влияния на базе полученных аналитических выражений построить математические модели электромагнитных влияний в частотной и временной областях кевду симметричными цепями многопроводных ЛС.
-
Аналитические выражения и методики расчета искажений импульсов в ЦС, учитывающие их несогласованность, потери в проводниках и диэлектрике, электромагнитные связи между цепя-
. ми многопроводных ЛС.
-
Спектральный и временной методы анализа Зі.їС ЦС с использованием детерминированных и вероятностных методов расчета помех на концах ЦС, позволяющие проводить анализ ЗМС ЦС ТО при' передаче аналоговых и цифровых сигналов.
-
Детерминированные и вероятностные математические модели электромагнитных в,лияний в строительных длинах высокочастотных симметричных кабелей связи и на ЭКУ ЦСП в частотной обл- -ст>! и на участие "кабелы-корректор" во временной области.
-
Методы расчета БХВ на зходе решающего устройства регенератора ЦСІІ, основанные на использовании форми кодового импульса на выходе участка "каболы-корпоктор" или интеграла свертки, ВХЗ г.егеду цепями на ЭгСУ и характеристик корректирующего усилителя регенератора.
-
І.'.єтодика временного метода анализа а. С ЦС в линейных трактах ЦСП с использованием диаграмм БХБ, детерминированных и вероятностных моделей электромагнитных влияний между цепями. Аналитическая связь меуду значения.', и импульсной защищенности на входе решающего устройства регенератора и значениями защищенности между цепями на полутактовь./. частотах линейных сигналов ЦСП.
Апробация работ ы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Бессоюзных научных сессиях ШС РЭС, посещенных дню радио С'осква, 1977, 1978, 1990), на П Бессоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов отрасли езязи (!,.пскв:і, 1979), на УІ всесоюзно;'! конференции "Состояние и перспективы развития кабелей связи в XI пятилетке" (Одесса, 19сй), на УП Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективи развития кабелей связи в 1Z пятилетке" (Бердянск, 19Ьб), на республиканских научно-технических конференциях "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости" (Ьинница, 1967), "Передача аналоговой и цифровой информации по каналам связи" (Рига, 1968), на УН Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых "шотрологня и стандартизация" (Новосибирск, 1989), на Всесоюзной научно-технической конференции "Информационные методы повышения эффективности и помехоустойчивости радиосистем и систем связи" (Ташкент, 1990).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в монографии, 35 печатных работах, опубликованных в научно-технических журналах, трудах Бсесоюэных конференций, в описании изобретения и 3 депонированных статьях. На основе материалов диссертации написана глава в учебное пособие для высших учебных заведений "Линии связи".-''.гРэдно и связь, 1990.-С.64-89.
Некоторые результаты работы отображены также в 15 зарегистрированных во ВНТИЦ отчетах по хоздоговорным НИР, в- которых автор принимал участие в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из-введения, пяти глав, заключения, изложенных на 312 страницах машинописного текста, содержит 85 страниц рисунков и таблиц, а также 3 приложения. Список литературы включает 174 наименования.
