Введение к работе
Актуальность проблемы. Преимущества фазовой манипуляции (ФМн) по сравнению с другими методами цифровой обработки сигналов предопределили ее распространение в современных цифровых радиоканалах связи (особенно в спутниковых системах связи). Известно, что при оптимальном построении приемника ФМн-сигналы обладают большей помехоустойчивостью и обеспечивают передачу информации с сокращенной эффективной шириной спектра Af, по сравнению с амплитудной и частотной манипуляцией. Повышение быстродействия каналов связи с фазовой манипуляцией достигается увеличением числа N возможных положений фазы сигнала, называемого многопозиционным фазоманипулированным сигналом.
В квазикогерентном демодуляторе ФМн-сигналов обязательно использование системы синхронизации ((_'<_'), состоящей из системы восстановления колебания несущей частоты (СМИ) но искаженному шумами принятому сигналу и системы обеспечения тактовой синхронизации (СТС). Восстановление этих частот на приемной стороне не требуется, если при передаче сообщения существует дополнительный канал синхронизации, однако на практике из-за экономии полосы частот, занимаемой каналом связи, такие случаи редки. Схемы СТС построены стандартным образом вне зависимости от числа позиций фазы входного сигнала, а их свойства достаточно подробно рассмотрены в литературе. В то же время, характеристики систем выделения несущей приемников многопозиционных ФМн-сигналов с гармонической несущей остаются практически неисследованными.
В литературе описано множество конкретных вариантов построения СВН, но поскольку к их избирательности и фазовым характеристикам предъявляются весьма жесткие требования, в настоящее время в таких системах обычно применяется активная фильтрация с помощью систем фазовой автоподстройки частоты (ФАП). В качестве примера можно привести использование кольца ФАП в схеме Костаса, в схеме В.И.Сифорова со снятием манипуляции путем умножения частоты входного сигнала в N раз, в системах с управлением по решению, в системах слежения за задержкой, в гибридных системах и других. Системы с фазовым управлением широко рассмотрены в литературе. Большой вклад в их исследование внесли отечественные ученые
Р.Л. Стратонович, В.И. Тихонов, Н.К. Кульман, ВВ. Шахгильдян, В.Н.Кулешов, М.В. Капранон, Н.Н Удалов, В Д. Шалфеев, Б.И. Шахтарин, Ю.Н.Бакаев и другие. Однако, в связи со сложностью точного решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих поведение систем фазовой синхронизации, их свойства как систем управления изучены недостаточно. Дополнительную трудность вносит необходимость учета специфики работы ФАП в составе СВН , а также влияния временной задержки сигналов в цепях системы, возникающей при ее технической реализации.
R связи с многообразием схем СВН важной проблемой является се выбор. Поскольку требования, предъявляемые к данному устройству, весьма многочисленны и порой противоречивы (например, малая шумовая полоса и быстрое вхождение в синхронный режим), исходный выбор схемы СВН из всего существующего многообразия определяет большую часть ее основных характеристик.
В последние годы в литературе широко обсуждаются вопросы применения для передачи цифровых сообщений новых видов несущих, отличных от традиционной гармонической. В этой связи перспективным представляется использование хаотических процессов (колебаний), возникающих в детерминированных нелинейных динамических системах. Использование хаотических сигналов может придать коммуникационным системам черты систем с расширением спектра сигнала, использующих псевдослучайные последовательности (устойчивость по отношению к селективному замиранию и узкополосным скачкам, низкая вероятность перехвата и т.д.), и устранить присущие им недостатки (ограниченная конфиденциальность и трудности синхронизации). Поскольку для модуляции хаотической несущей (или поднесущей) можно предложить метод, аналогичный традиционной многопозиционной фазовой манипуляции гармонической несущей, представляется интересным также рассмотреть возможную структуру такой линии связи и особенности синхронизации в ней.
Научная новизна. Системы выделения несущей на основе колец ФАП относятся к классу замкнутых систем автоматического регулирования с периодической нелинейностью характеристики фазового дискриминатора. Хотя интуитивно ясно, что увеличение числа позиций фазы используемого сигнала снижает помехоустойчивость приема сигнала при постоянном отношении сигнал/шум, в литературе нет решения задачи
о помехоустойчивости СВН, построенных на основе колец ФАП. Не решены и вопросы возможной параметрической оптимизации таких систем. Отсутсгвие в литературе публикаций, посвященных анализу точностных, динамических характеристик и помехоустойчивости СВН для многопозиционных ФМн-сигналов, позволяет считать полученные результаты новыми.
Второй аспект новизны проводимых исследований связан с использованием в СВН многопозиционных ФМн-сигналов импульсного частотно-фазового детектора (ИЧФД) для улучшения ее динамики, а также с исследованием характеристик полученной системы и их сравнением с характеристиками традиционной схемы.
Представляется новой также часть работы, связанная с модуляцией хаотической несущей, являющейся аналогом классической многопозиционной фазовой манипуляции гармонической несущей, и возможностью создания системы связи с такими сигналами. Дело в том, что интерес к исследованию хаотических колебаний в детерминированных динамических системах проявился лишь в последнее десятилетие, и большинство публикаций посвящено пока рассмотрению свойств хаотических режимов конкретных систем. В связи с этим идея модуляции неэнергетического параметра хаотического колебания является новой, так же как и моделирование работы линии связи с такими сигналами в присутствии шума.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей
диссертационной работы является исследование и расчет точностных,
динамических характеристик и помехоустойчивости СВН
миогопошцноиных ФМн-сигналов с учетом временного запаздывания в цепи сигнала ошибки на основе предложенных математических моделей таких устройств и сравнение этих характеристик с характеристиками обычной системы ФАП. Также решается задача выбора структуры системы связи с хаотической несущей и модуляцией, аналогичной многопозиционной ФМн гармонической несущей, и анализируется помехоустойчивость предложенной системы связи.
Для достижения поставленных целей в работе решены следующие новые научно-практические задачи:
построены нелинейные математические модели СВН
многопочициошгых ФМн-сигналов с учетом особенностей, связанных с
используемым сигналом, запаздыванием в цепи сигнала ошибки и влиянием шумов;
проведен анализ динамических и точностных характеристик, а также помехоустойчивости широко используемой на практике схемы СВН, аналогичной схеме Костаса для двухпозиционной фазовой манипуляции, называемой модифицированной схемой Костаса; причем анализ выполнен с учетом временного запаздывания в цепи сигнала ошибки;
проведена параметрическая оптимизация системы по минимуму шумовой полосы;
предложено использование импульсного частотно-фазового детектора в СВН многопозиционных ФМн-сигналов для улучшения ее динамических характеристик;
проведен анализ точностных и динамических характеристик, а также помехоустойчивости СВН с ИЧФД; выполнена параметрическая оптимизация системы, в том числе с учетом временного запаздывания в цепи сигнала ошибки проведено сравнение характеристик СВН с ИЧФД с характеристиками традиционной схемы;
предложены метод модуляции хаотической несущей, аналогичный классической многопозиционной фазовой манипуляции гармонической несущей, и структура системы связи с такими сигналами, близкой по помехоустойчивости к оптимальной;
проведено компьютерное моделирование исследуемых систем в присутствии аддитивного шума.
Объект и методы исследования. В качестве объектов исследования выбраны:
-
СВН, построенная по модифицированной схеме Костаса, с астатическим фильтром первого порядка, широко используемая в настоящее время на практике;
-
СВИ с использованием импульсного частотно-фазового детектора (ИЧФД), обладающая лучшими динамическими характеристиками, а также более простой схемотехнической реализацией по сравнению с традиционной схемой;
-
система связи с хаотической несущей.
Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются:
теория систем автоматического регулирования;
методи теории нелинейных колебаний: фазового пространства, теории бифуркаций и хаоса;
методы теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики;
методы численного интегрирования дифференциальных уравнений сисіем и моделирования процессов на ')ВМ;
метод макромоделей для описания узлов изучаемых систем.
Практическая ценное и, работы и ее реализация. Включенные в диссертацию результаты частично были получены при выполнении в период с 1994 по 1998 гг. научно-исследовательских работ в рамках госбюджетного финансирования (единый заказ-наряд), при поддержке грантов Фонда молодых ученых и Фонда развития науки МЭИ (ТУ), а также гранта Минобразования РФ. Большинство полученных в работе результатов доведено до практических рекомендаций для разработчиков таких систем, инженерных или компьютерных методик расчета характеристик, а также готовых моделей систем для пакетов схемотехнического моделирования.
Результаты работы используются п учебном процессе на Радиотехническом факультете МЭИ (ТУ) при чтении базовых курсов лекций, дисциплин, установленных Советом для выбора студентов, в преддипломных курсах, при курсовом и дипломном проектировании.
Публикации и апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты отражены в 8 публикациях, в том числе: в тезисах и сборниках трудов одной Московской и 4-х Международных научных конференций и симпозиумов, в двух статьях в научно-технических журналах, а также в 4-х отчетах по выполненным НИР.
Результаты работы прошли апробацию на 4-х Международных научных конференциях и симпозиумах: «Проблемы радиоэлектроники» (к 100-летию радио) (1995 г., Москва), «Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation» (1996 г., Москва), 5* International Specialist Workshop «Nonlinear Dynamics of Electronic Systems» (1997 г., Москва), 1998 International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation (1998 г., Санкт-Петербург).
Полностью работа докладывалась на кафедре Формирования колебаний и сигналов МЭИ (ТУ) в марте 1999 года.
Структура и объем работы. Перечисленные выше положения раскрываются в матерішах диссертационной работы, изложенной на 112
страпицах машинописного текста, иллюстрированного 7 рисунками на 5S страницах. Полный объем работы составляет 178 страниц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 102 наименования.
Основные положении, выносимые на защиту. !. Математические модели СВН мкогонозпцноинмх ФМн-сигналов, построенных на основе колец ФАП.
-
Точностные, динамические характеристики и помехоустойчивость СИП, построенной по модифицированной схеме Костаса, с учетом временной задержки в цепи сигнала ошибки. Зависимости указанных характеристик от параметров фильтра кольца и времени задержки. Параметрическая оптимизация фильтра системы по минимуму шумовой полосы системы.
-
Структурная схема СВН с ИЧФД для выделения несущей многопозиционного ФМн-сишала.
-
Точностные, динамические характеристики и помехоустойчивость СВН с ИЧФД, в том числе с учетом временной задержки в цепи сигнала ошибки, их сравнение с характеристиками традиционной схемы и оптимизация характеристик системы.
-
Метод модуляции хаотической несущей, аналогичный МНОІОІЮЗИЦИОН1ЮЙ фазовой манипуляции гармонической несущей. Структурная схема линии связи с хаотической несущей.
-
Результаты моделирования исследуемых систем на ЭВМ с использованием современных пакетов прикладных программ.