Содержание к диссертации
Введение
1. Структура сигналов эффективных при передаче информации в условиях воздействия внутрисистемных помех 20
1.1 Вероятностные характеристики потока внутрисистемных помех 21
1.2. Воздействие внутрисистемных помех на рабочие характеристики приемника информационных сигналов 27
1.3. Структура и эффективность алгоритма приема информационных сигналов на фоне негауссовских помех, использующего их нелинейное преобразование 30
1.4. Синтез сигналов, минимизирующих уровень внутрисистемных помех 33
1.5. Амплитудный уровень помех на выходе согласованных фильтров при воздействии простых и частотно-модулированных сигналов 38
1.6. Влияние нелинейных эффектов на соотношение сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра 40
1.7. Выводы 45
2. Теоретические оценки времени переходных процессов при воздействии мощных импульсных помех 46
2.1. Некоторые особенности прямого прохождения помехи и блокирования рпу 46
2.2. Время восстановления коэффициента усиления многокаскадной системы с учетом перегрузки усилительных каскадов 52
2.3. Время последействия многокаскадной системы с учетом перегрузки отдельных каскадов 62
2.4. Некоторые особенности в определении времени потери чувствительности приемного тракта 69
2.5. Выводы 72
3. Экспериментальные исследования потери чувствительности приемной системы при воздействии потока импульсных радиопомех 73
3.1. Потеря чувствительности избирательного усилителя, работающего в перегруженном режиме 73
3.2. Экспериментальная оценка блокирования упч помехами большого уровня 81
3.3. Особенности блокирования приемной системы потоком случайных импульсных помех [102] 88
3.4. Характеристики обнаружения импульсных систем (прямое прохождение импульсных помех) 96
3.5. Выводы 100
4. Синтез многопроцессорного комплекса телеуправления, устойчивого к внешним помехам 101
4.1. Комплекс с телеуправлением как многоуровневая иерархическая система 101
4.2. Унифицированный комплекс телемеханики унк тм с защищенным от помех радиоканалом 111
4.2.1. Назначение комплекса.
4.2.2. Основные технические характеристики унк тм: 113
4.2.3. Параметры достоверности передачи информации и команд 115
4.2.4. Контролируемые пункты системы 120
4.3. Выводы 126
Заключение 128
Литература 133
Приложение 1. Описание комплекса телемеханики унк тм 142
- Структура и эффективность алгоритма приема информационных сигналов на фоне негауссовских помех, использующего их нелинейное преобразование
- Время восстановления коэффициента усиления многокаскадной системы с учетом перегрузки усилительных каскадов
- Особенности блокирования приемной системы потоком случайных импульсных помех [102]
- Унифицированный комплекс телемеханики унк тм с защищенным от помех радиоканалом
Введение к работе
Актуальность проблемы.
При создании многоуровневых систем оперативно - диспетчерского управления технологическими процессами транспорта газа возникает необходимость передачи информации на большие (до сотен километров) расстояния. В этой ситуации в комплексах телемеханики для магистральных газопроводов наиболее часто используется радиоканал, что обусловлено факторами экономичности, оперативности и невозможностью прокладки кабельных линий связи [1]. Однако наличие радиоканала наряду с достоинствами по отношению к таким системам телеуправления как NETWORK 3000, MMG-AM, PROTEUS 2000 требует решения проблемы защиты комплекса управления от помех. Это связано с тем, что передачу информации по радиоканалу зачастую приходится проводить при наличии целого комплекса помех, обусловленных работой бытовых и специальных радиоустановок. Одним из наиболее распространенных видов помех являются импульсные помехи, обусловленные работой автомобильных систем зажигания, локационных и связных систем, бытовых электросистем электротранспорта и т.д. При действии импульсной помехи на радиоканал возможна регистрация помехи вместо полезного сигнала, а также потеря полезного сигнала, что ведет к увеличению погрешности измерений. Учитывая существующую тенденцию к непрерывному увеличению мощности передатчиков и чувствительности радиоприемных устройств можно отметить, что в целом складывается ситуация, которая получила название проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС) [2,3,4].
Проблема ЭМС РЭС является определенной конкретизацией известной проблемы помехозащищенности РЭС. Фундаментальные работы В.А. Котельникова [6], Д. В. Агеева [5], Л.С. Гуткина [7] , В.И. Тихонова [8], А.П. Трифонова [9] и многих других ученых, решающие общие задачи помехоустойчивости радиоприемных устройств, подготовили обширную теоретическую базу для решения многих конкретных задач ЭМС. Тем не менее, проблема обеспечения ЭМС РЭС ставит некоторые новые задачи, определяемые спецификой совместной работы большого числа радиоэлектронных средств.
В общем случае решение проблемы ЭМС комплексов в настоящее время проводится по двум направлениям: техническими методами и организационными мероприятиями. - Организационные методы обеспечения ЭМС РЭС радиоканала.
Организационные меры применяются, в основном, для защиты от непреднамеренных помех, создаваемых «своими» источниками. Задача обеспечения необходимой развязки приемников и передатчиков должна рассматриваться как задача оптимизации совместной работы, структуры и свойств коллектива РЭС на основе выбранного критерия оценки взаимного влияния РЭС комплекса - например, модифицированного критерия Неймана-Пирсона [10]. В частности, решение проблемы может сводиться как к задаче оптимизации их пространственного расположения [11] РЭС, так и задаче оптимального управления параметрами сигналов и характеристик РЭС [10, 12,13].
Одним из основных путей повышения помехоустойчивости РЭС, работающих в группировке в условиях непреднамеренных импульсных помех является упорядочивание импульсных потоков [14]. Проводимые организационные и технические мероприятия создают условия для недопущения помех от передающих средств на вход приемных устройств за счет синхронизации передающих устройств [15] или проведения жесткой регламентации использования временного и частотного ресурса [16,17]. При этом, однако, не решается проблема защиты от мешающих сигналов -переотражений и зондирующих импульсов РЭС, не охваченных организационными мерами, а также от организованных помех различной структуры и интенсивности. - Технические методы обеспечения ЭМС РЭС радиоканала.
Технические меры защиты от непреднамеренных и организованных помех предусматривают принятие действенных мер индивидуальной защиты РПУ. Защита от радиопомех различной природы, структуры и интенсивности базируется на отличии структуры и закономерностей изменения параметров, свойственных полезным сигналам и мешающим воздействиям. Она обеспечивается защитой от перегрузок приемников, селекцией от помех, компенсацией помех, использованием адаптивных методов защиты [18].
В современных РЭС для борьбы с локальными (многоточечными по пространству) помехами в настоящее время применяют некогерентные компенсаторы, запрещающие прохождение помеховых сигналов, если их значение в основном канале приема меньше значения в компенсационном канале с ненаправленной антенной [19]. Однако использование принципа запрета приводит к тому, что наряду с помеховыми сигналами могут подавляться и полезные сигналы.
Более плодотворным способом борьбы с распределенными в пространстве помехами является формирование провалов (нулей) ДН антенны в направлении на помехи, реализуемое с помощью адаптивных фазированных антенных решеток (АФАР) [19,20,21], либо широко применяемых в наземных и корабельных РЛС автокомпенсаторов боковых лепестков.
В [22] описан адаптивный алгоритм выделения полезного сигнала на фоне интенсивных помех произвольного вида в многоканальной приемной системе. Качество обнаружения полезного сигнала с помощью этого алгоритма зависит лишь от степени линейной зависимости полезного сигнала и помех.
Одним из путей повышения помехоустойчивости радиотехнических систем связи является применение широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС), формируемых на основе технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS).
Расширение спектра [24,25,26,27] представляет собой метод формирования сигнала с расширенным спектром с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие РЭС. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением, поэтому подобное расширение полосы не позволяет ослабить влияние аддитивного белого шума. Широкополосные системы связи (ШСС) находят применение благодаря своим потенциальным преимуществам [27,1]: Исследование помехоустойчивости ШСС проводится в [28,29,30].
При работе в линейном режиме системы с расширением спектра обеспечивают существенное подавление как узкополосных помех (в частности, гармонических), так и широкополосных помех, обеспечивая выигрыш при обработке G=f(/fb , где /0- частота следования информационных символов,^ -скорость передачи. Выигрыш обеспечивается за счет корреляционного сжатия спектра принятого полезного сигнала в полосе модулирующих частот при одновременном расширении спектра помехи.
К современным методам защиты цифровых РЭС от аддитивных помех, а также от мультипликативных помех, обусловленных особенностями трасс распространения сигнала, замираний за счет многолучевого распространения сигнала, фазового шума, доплеровского сдвига частоты можно отнести использование оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов демодуляции цифрового сигнала [31], выбор оптимальной структуры сигнала [32], а также использование адаптивных помехоустойчивых кодов, согласованных с каналом связи [33]. При синтезе оптимальных структур и алгоритмов в качестве критериев оптимальности обычно используются критерии максимальной инвариантности к воздействию помех [32], минимума аппаратурных искажений сигнала, минимума вероятности ошибочного приема.
Для защиты ШСС от помех, уровень которых превышает обеспечиваемый базой допустимый запас помехоустойчивости (уровень вероятности ошибки на бит), применяют различные методы подавления [29]. Указанные методы можно разделить на две группы — режекция пораженной части спектра ШПС и компенсация помехи в РПУ путем создания ее копии с последующим вычитанием созданной копии помехи из входного сигнала. Реализация дополнительных методов защиты осуществляется, в основном, цифровым способом на промежуточной или видеочастоте РПУ. При этом полагают, что входные сверхвысокочастотные (СВЧ) каскады РПУ преобразуют входную смесь полезного сигнала, шума и помех линейно, не внося значительных искажений в принимаемый сигнал. - Проблема непреднамеренных помех большой мощности.
Однако на вход РЭС зачастую поступают помехи такого уровня, который превышает динамический диапазон РПУ. В РЭС мешающие сигналы такого уровня могут поступать, например, от собственного передатчика за счет недостаточной эффективности блокировки приемного устройства. Специфика некоторых объектов вообще требует работы приемников и передатчиков на одну общую широкополосную антенну [И].
Воздействие на приемное устройство мощных помех может привести к значительным изменениям в режимах работы отдельных каскадов, к проявлению существенных нелинейных эффектов, значительно ухудшающих качество выделения полезной информации из входной смеси. Таким образом, при одновременной работе собственных передатчиков и приемников, находящихся в ограниченном пространстве, а также воздействия организованных помех, реальна ситуация, при которой на вход приемного устройства попадает сигнал с напряжением, достаточным для того, чтобы изменить соотношение сигнал/шум. Более того, возможно попадание основного излучения радиопередающего устройства в полосу побочного канала приема и внеполосного излучения в основной канал приема, что, естественно, нарушает нормальный (линейный) режим работы приемных устройств.
В условиях растущего количества работающих радиотехнических систем (беспроводной связи), которое наблюдается в последнее десятилетие, возникают ситуации, когда уровень помех, поступающих на вход ШСС, превышает возможности динамического диапазона РПУ. В этом случае входные СВЧ каскады РПУ, а именно малошумящий усилитель (МШУ) и смеситель переходят в нелинейный режим работы. Искажения полезного ШПС, возникающие вследствие нелинейных преобразований во входных каскадах РПУ, невозможно компенсировать последующей цифровой обработкой, так как характер таких искажений трудно предсказуем. Следовательно, возникает необходимость дополнительной защиты входных каскадов ШСС от воздействия мощных помех.
Исследованию нелинейных эффектов, сопровождающих прохождение сигнала большой мощности (или смеси сигнала и помехи) по приемному тракту посвящено достаточно много работ. Подробно исследованы явления перегрузки усилительных устройств [35], перекрестные искажения и явление интермодуляции [36], вопросы образования комбинационных частот [37], явление подавления слабого сигнала в детекторе [38], проведен анализ взаимной модуляции в полупроводниковом смесителе [39,40,41], эффекты потери чувствительности в приемном тракте [42,43] и т.д. Основные результаты этих исследований систематизированы в работах [44,45,46]. Однако, проблема потери чувствительности РПУ при воздействии импульсных помех и одновременном учете нелинейных и нестационарных свойств его каскадов пока не нашла своего решения.
Отметим, что наиболее подробно изучены нелинейные явления в оконечных усилительных каскадах, так как обычно предполагалось, что на преобразовательные каскады и на первые каскады усилителя поступают сравнительно слабые сигналы, и каскады не перегружены. Тем не менее, пока нет полной ясности каково соотношение эффектов прямого прохождения помех и эффектов блокирования в РПУ.
Широкое использование в системах связи цифровой обработки сигналов, ключевым элементом которой являются аналого-цифровые преобразователи, требует рассмотрения их нелинейных и инерционных свойств, проявляющихся в виде комбинационных компонент при взаимодействии нескольких сигналов, по крайней мере один из которых значительно превышает другой [47].
В большинстве существующих в настоящее время методов обработки смеси сигнала с помехой фильтрация сигнала производится либо на промежуточной, либо на видеочастоте в предположении линейности преобразования смеси сигнала с помехой в каскадах РПУ. Это, вообще говоря, не всегда справедливо, особенно, если уровень помехи превышает динамический диапазон входного усилителя. Разработанный арсенал средств защиты от помех, не превышающих динамический диапазон РПУ, достаточно широк [48] и обеспечивает защиту от практически любой конкретной помехи. — Способы защиты радиоканала от мощных помех.
Разработанные к настоящему времени технические методы и способы борьбы с мощными помехами можно свести к двум основным направлениям.
Первый путь включает в себя различные способы по недопущению воздействия помехи на РПУ (или существенного ослабления уровня мешающего сигнала). Второй путь заключается в соответствующей обработке в самом приемном устройстве входной смеси с целью наилучшего выделения полезной информации.
В первом случае, для предотвращения попадания мощной помехи на вход РПУ используются различного рода преселекторы [34,49,50] компенсационные схемы [5] и схемы быстрой перестройки частоты [52]. Эти методы, по-видимому, малоперспективны в условиях все возрастающих мощностей помех.
Использование специальных преселекторов неперспективно в первую очередь по экономическим соображениям: размер, вес, стоимость [53] использование компенсационных схем ограничено их недостаточным быстродействием [51] или малым динамическим диапазоном [44].
Защиту РЭС от воздействия узкополосных помех, мощность которых превышает границы динамического диапазона приемного устройства, необходимо осуществлять во входных каскадах РПУ, до малошумящего усилителя и смесителя. Непрерывные узкополосные помехи могут быть подавлены на входе приемника РТС с помощью режекторных фильтров [53,54,55]. Использование режекторных фильтров на входе для подавления мощных помех, ширина спектра которых значительно меньше ширины спектра полезного сигнала AFyn « AF, рекомендуется также для современных систем связи с ШПС [56]. Современные технологии позволяют создавать высокодобротные узкополосные фильтры (например, на диэлектрических резонаторах [34], либо на основе ядерного магнитного резонанса [49]). Для защиты РПУ от мощных нестационарных узкополосных помех можно использовать блоки таких фильтров или перестраиваемые режекторные СВЧ фильтры [34].
Максимально возможное количество узкополосных помех в системе ШПС, которые могут быть подавлены указанным способом, зависит от ширины спектра полезного сигнала, ширины полосы режекции каждого фильтра и величины порогового уровня основного пика корреляционной функции, при котором происходит обнаружение полезного сигнала, принятого в конкретной системе. В системе без расширения спектра (с базой AFT=l), режекция может привести к полному блокированию узкополосного полезного сигнала, при совпадении несущей частоты сигнала с частотой режекции. Неприемлемо использование режекторных фильтров, выполненных на активных элементах, при воздействии мощных импульсных помех, так как возникающие нелинейные эффекты могут привести к полному запиранию тракта.
В приемниках радиосвязи для борьбы с импульсными помехами большой амплитуды и малой длительностью используются устройства, выполненные по схеме ШОУ (Широкополосный усилитель - амплитудный Ограничитель-Узкополосный усилитель), ШПУ (Широкополосный усилитель - Прерыватель-
Узкополосный усилитель) [18]. В частности, системы ШОУ используются для защиты от импульсных помех в современных приемниках стандарта CDMA [25].
Еще одним из распространенных способов защиты приемников от импульсных помех является бланкирование [18]. Бланкирование помехи является эффективным способом подавления импульсных помех разной интенсивности, в т.ч. и превышающих динамический диапазон РПУ и обычно осуществляется прерывателем, расположенным перед защищаемым каскадом. Импульсы управляющего напряжения формируются в дополнительном канале выделения помехи. В системах с бланкированием реальна ситуация, когда из-за эффекта последействия и потери чувствительности, длительность управляющих импульсов больше длительности импульсов помехи. Вследствие этого, приемник будет закрыт для приема полезного сигнала, следующего непосредственно за помехой. Эффект последействия и потери чувствительности при линейном режиме работы усилительных каскадов может быть устранен (или значительно снижен) путем использования специальных технических решений [57,58,59].
Оценки эффективности перечисленных систем защиты от импульсных помех приведены в работах [60,61], где показано, что общим свойством систем подавления импульсных помех является ухудшение их эффективности при воздействии на них помех, по своей структуре приближающихся к "неимпульсным". Причем, чем выше устойчивость любой системы подавления к импульсным помехам, тем более ухудшается её устойчивость к неимпульсным помехам. Системы с бланкированием и устройства ШПУ в условиях непрерывных помех вообще теряют свою работоспособность. Представляется целесообразным определение такого параметра как время потери чувствительности в РТС, снабженных этими устройствами защиты, для оценки их эффективности.
Во втором случае, как правило, решается задача расширения динамического диапазона усилительного устройства и последующая компенсация помехи, находящейся в аддитивной смеси с сигналом [62]. Для расширения динамического диапазона усилительных каскадов широко используются схемы автоматической регулировки усиления АРУ, линеаризирующие каскады, логарифмические усилители и т.д. В работе [62] подробно рассматриваются преимущества и недостатки этих способов. Отметим только, что автоматическая регулировка мощности (АРМ) и схемы АРУ заметно уменьшают способность приемного устройства выделять слабый сигнал на фоне сильной помехи, увеличивая, кроме всего прочего, и инерционность приемного устройства. Нелинейные методы линеаризации приводят к явно выраженным усложнениям схемы [63,64] , которые становятся еще более значительными, если синтез линеаризуемых элементов проводить на основе теории нелинейной фильтрации [64].
Проведенный выше анализ показывает, что при разработке информационно-измерительных комплексов одной из наиболее важных является проблема минимизации степени взаимного влияния автономных радиотехнических систем, входящих в состав комплексов. Такое влияние возникает вследствие недостаточной направленности антенных систем, большого уровня боковых лепестков диаграмм направленности, недостаточного частотного разноса рабочих частот [66], проявления нелинейных эффектов при больших уровнях мощности используемых сигналов. Поэтому необходимо оценить влияние нелинейно-нестационарных эффектов при воздействии на радиоканал мощных импульсных помех.
В этой ситуации расчет уровня внутрисистемных помех может быть проведен лишь весьма приблизительно, поэтому необходимо провести поиск алгоритмов обработки сигналов на фоне помех и рационально выбрать закон модуляции рабочих сигналов. Соответствующий анализ позволит приблизиться к потенциальным точностным характеристикам комплекса, определяемым чувствительностью приемных систем и мощностью сигналов.
Цели и задачи работы.
Целью работы является разработка многопроцессорного комплекса телеуправления, устойчиво работающего в условиях внешних и внутрисистемных импульсных помех.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи: выбор структуры радиосигнала для передачи информации в условиях воздействия внутрисистемных импульсных помех; исследование нелинейных и нестационарных эффектов, сопровождающих воздействие мощных импульсных помех на радиоканал; обоснование структуры многопроцессорного комплекса телеуправления с защитой от интенсивных радиопомех.
Методы исследования: математическое моделирование типовых радиотехнических комплексов; экспериментальные исследования характеристик РПУ двухсигнальным методом; методы статистической радиофизики; методы системного анализа.
Научная новизна: - Проведен анализ статистических характеристик потоков внутрисистемных помех и их влияния на рабочие характеристики приемных устройств. Показано, в частности, значительное повышение помехоустойчивости при уменьшении коэффициента взаимной корреляции используемых сигналов.
Обоснована структура алгоритмов обработки сигнала при воздействии внутрисистемных помех и проведен синтез сигналов, минимизирующих влияние таких помех.
Показано, что использование сложных сигналов с частотной или фазовой модуляцией существенно снижает степень взаимного влияния приемно-передающих комплексов, функционирующих в условиях, когда уровень внутрисистемных помех настолько велик, что существенным образом проявляются нелинейные явления в приемных трактах.
Исследовано явление блокирования радиотракта внеполосными импульсными помехами;
Определены эффекты, приводящие к потере чувствительности усилительных каскадов после воздействия мощных импульсных помех;
Предложены способы уменьшения времени потери чувствительности усилительных каскадов радиотракта;
Оценено влияние на характеристики обнаружения потери чувствительности радиотракта и взаимной корреляции сигнала и помех;
Синтезирован многопроцессорный комплекс управления, имеющий защищенный от помех радиоканал.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретические и экспериментальные результаты работы могут быть использованы при разработке помехоустойчивых радиоканалов, работающих в условиях импульсных помех.
Предложенная структура многопроцессорной системы управления уже используются а ОАО «Газпром» и может быть рекомендована для других отраслей промышленности.
Вклад автора.
Лично автором выполнены следующие научно-исследовательские работы: провел выбор оптимальной структуры сигнала, предназначенного для передачи измерительной информации; исследовал потерю чувствительности многокаскадного усилителя при нелинейном режиме его работы; получил характеристики блокирования и обнаружения с учетом потери чувствительности радиотракта; обосновал структуру многопроцессорного комплекса управления; - оценил основные метрологические характеристики комплекса и параметры достоверности передачи информации.
На защиту выносятся следующие результаты: результаты анализа статистических характеристик потоков внутрисистемных помех с учетом параметров антенных систем и их влияния на рабочие характеристики приемных устройств; математическая модель резонансного каскада, работающего в широком диапазоне входных сигналов, представленная в виде системы параметрических уравнений, учитывающих резонансные свойства каскада и детекторные эффекты на транзисторных переходах; методы уменьшения времени последействия импульсных помех путем взаимной нейтрализации детекторных эффектов в базовой цепи и в цепи коллектора; характеристики блокирования РПУ потоком импульсных помех; многопроцессорный комплекс телеуправления с помехозащищенным радиоканалом.
Апробация результатов работы и публикации.
По результатам работы опубликованы 2 статьи в рецензируемых центральных журналах; опубликованы материалы двух докладов в трудах научной конференции по радиофизике в ННГУ; опубликованы тезисы 5 докладов на международных и региональных конференциях.
Результаты исследования доложены на третьей международной конференции «Энергодиагностика и Condition monitoring» (2000г.), на конференции по радиофизике в ННГУ (2002г.), на научно-практической конференции «Итоги и перспективы развития десятилетнего сотрудничества Минатома РФ и ОАО «Газпром» (1999г.).
Работа выполнена в ФГУП НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова, г. Н. Новгород.
Структура и эффективность алгоритма приема информационных сигналов на фоне негауссовских помех, использующего их нелинейное преобразование
В радиоприемниках супергетеродинного типа эффект аналогичный прямому прохождению помехи имеет место и на определенных частотах - каналы комбинационного приема [83].
Воздействие помехи большого уровня может привести к так называемому явлению блокирования усилительных или преобразовательных каскадов приемного устройства. Явление блокирования заключается в уменьшении усиления радиоприемного устройства и соответствующем ослаблении полезного сигнала при воздействии помехи.
Явление нелинейного взаимодействия помехи и сигнала (блокирование, перекрестная модуляция) и эффект прямого прохождения помехи, в принципе, могут иметь место одновременно. Оценим, какой из эффектов является преобладающим в зависимости от параметров и режима работы приемного устройства.
При исследовании влияния на работу приемника помехи большого уровня обычно рассматриваются явления блокирования и перекрестной модуляции. По принятой методике при изучении этих явлений оценивается только изменение полезного сигнала на выходе приемника [83,84], прохождением помехи на выход приемника обычно не интересуются.
В то же время прямое прохождение помехи может привести к изменению постоянной составляющей на выходе амплитудного (фазового) детектора, что вызовет, в частности, ложное срабатывание системы АРУ. Кроме того, в тех системах, где измеряется постоянная составляющая, это явление приведет к ошибке в измерениях. Наиболее опасно прямое прохождение модулированной помехи, так как если законы модуляции сигнала и помехи подобны, то различить их на выходе приемника не представляется возможным.
Для оценки прямого прохождения помехи будем в дальнейшем считать, что явление прямого прохождения имеет место, если уровень помехи на выходе приемного устройства не меньше уровня полезного сигнала. На основе этого критерия можно ввести характеристику прямого прохождения помехи как зависимость
Здесь: ипвх,ипвых, исвых, соответственно амплитуды помехи на входе, помехи и сигнала на выходе, Дсо=а о-ю« - расстройка частоты помехи со„ относительно частоты настройки соо резонансной характеристики приемного устройства.
При малых расстройках характеристика прямого прохождения совпадает с резонансной характеристикой приемного устройства, что обусловлено линейным режимом работы приемного тракта (по определению характеристики прямого прохождения U„ ebtx=Uc вых, т.е. в этом случае достаточным для прохождения уровнем помехи будет Unex=Ucex). При больших расстройках для получения нормального выходного напряжения необходим большой уровень помехи, режим работы приемника становятся нелинейным, а такое понятие, как резонансная кривая теряет смысл. Прохождение сигнала (помехи) через приемник в этом случае можно оценивать только по характеристике прямого прохождения (при этом необходимо учитывать возможное блокирование приемника).
Если коэффициент усиления помехи Куп приемника до детектора больше единицы Куп \, то в нелинейный режим, вызывающий блокирование, с ростом уровня помехи попадает первоначально последние усилительные каскады до детекторного тракта приемника. При этом явление прямого прохождения и явление блокирования сопутствуют друг другу. Характеристика прямого прохождения совпадает с резонансной кривой приемника, а кривая блокирования расположена выше кривой прямого прохождения помехи, т.к. для блокирования нужен больший уровень помехи.
Если же на частоте помехи коэффициент усиления приемника до детектора меньше единицы (Куп \), то блокирование сигнала осуществляется в первых каскадах приемника. В этом случае уровень помехи, вызывающей блокирование, недостаточен для прохождения помехи на выход приемника. Режим работы приемника при этом будет существенно нелинейным. Уровня помехи на выходе, равного уровню полезного сигнала не всегда удается достичь, поэтому характеристику прямого прохождения помехи приемника при таких расстройках можно оценивать только по уровню несущего колебания помехи.
Необходимо отметить, что режим работы приемника с коэффициентом усиления больше или меньше единицы при значительных расстройках зависит от прямоугольное резонансной кривой. В случае систем с хорошей прямоугольностью резонансной кривой коэффициент усиления приемника становится меньше единицы (Куп 1) практически сразу за полосой пропускания приемника. В таких системах прямое прохождение помехи вне полосы пропускания отсутствует, преобладает эффект блокирования.
В системах, резонансная кривая которых имеет плохую прямоугольность (коэффициент усиления с расстройкой убывает медленно), явления блокирования и прямого прохождения помехи сопутствуют друг другу при значительных расстройках. Поэтому для таких систем кроме характеристик блокирования необходимо знание характеристик прямого прохождения помехи.
Экспериментальные исследования были проведены для узкополосной системы с высокой прямоугольностью резонансной кривой: при расстройке на Д/=14 кГц - ослабление в 100 раз; при расстройке на Д/=15 кГц - ослабление в 1000 раз; и для широкополосной системы с относительно слабой прямоугольностью резонансной характеристики: при расстройке на 10 МГц ослабление в 100 раз; при расстройке на 14 МГц ослабление в 400 раз. Измерение блокирования проводилось по известной двухсигнальной методике [83].
При снятии резонансной кривой приемника и характеристики прямого прохождения помехи был использован модулированный сигнал. Контролировалось выходное напряжение приемника и уровень несущего колебания.
Время восстановления коэффициента усиления многокаскадной системы с учетом перегрузки усилительных каскадов
Воздействие непреднамеренных импульсных помех большого уровня может привести к существенно нелинейному режиму работы отдельных каскадов приемного тракта и повлиять на время переходных процессов.
Экспериментальное исследование позволяет оценить наиболее существенные изменения в форме сигналов на выходе нелинейного УПЧ.
Для анализа эффектов последействия импульсной помехи при нелинейном режиме работы УПЧ целесообразно, первоначально, рассмотреть деформацию импульса помехи на выходе УПЧ при изменении его амплитуды на входе.
Итак, с увеличением амплитуды импульса помехи на входе УПЧ происходят следующие изменения его формы на выходе. Первоначально, если начальная рабочая точка выбрана в активной области работы транзистора, с увеличением амплитуды импульса растет его амплитуда на выходе. В этом режиме работы переходные процессы определяются, в основном, инерционностью транзисторов (временем рассасывания и накопления избыточных носителей в базе) (рис.3.1-а). С ростом амплитуды импульса происходит его расширение, затем ограничение положительной и отрицательной полуволн. Эти искажения определяются выходной цепью каскада и обусловлены заходом сигнала в область насыщения и отсечки, соответственно. Дальнейшее увеличение амплитуды помехи может привести к провалу вершины выходного импульса (рис.3.1-6). Это обусловлено уменьшением коллекторного тока в режиме насыщения U63 UK3 0. В этом режиме значительно растет время рассасывания неосновных носителей. Эффект рассасывания может сопровождаться появлением выбросов коллекторного тока у фронтов импульса (рис.3.1-в). Увеличение амплитуды импульса помехи наряду с известными эффектами отсечки, провала вершины и т.д. приводит к появлению по окончании импульса мощного выброса. Для транзисторов типа р-п-р выброс имеет отрицательную полярность, типа п-р-п - положительную (рис. 3.2-6). Длительность этих выбросов в зависимости от режима работы каскада и амплитуды входного импульса изменяется от долей до десятков микросекунд. Наличие выбросов приводит к потере чувствительности УПЧ после действия помехи.
На рис. 3.3 показана зависимость времени последействия tn от амплитуды помехи U„ при линейном и нелинейном режимах работы УПЧ. Из рисунка видно, что время последействия резко возрастает при нелинейном режиме работы УПЧ и определяется, в основном, длительностью выброса заднего фронта помехи. Наличие, этих выбросов обусловлено эффектом детектирования радиоимпульса на участке база-эмиттер транзистора. Действительно, предположим, что смещение на базе равно нулю U . Появление радиоимпульса помехи приводит к росту тока базы. В результате детектирования на участке база-эмиттер постоянная составляющая тока базы Ібо заряжает емкость нагрузки детектора С]. На сопротивлении нагрузки детектора R\ I /R2 во время действия радиоимпульса выделяется экспоненциальное напряжение, полярность которого определяется типом проводимости транзистора. В результате на базе создается динамическое смещение, и огибающая импульса помехи искажается (рис. 3.4). Переходный процесс по окончании действия импульса помехи обусловлен разрядом емкости С через сопротивление R2 (закрытый переход база-эмиттер имеет сопротивление намного больше, чем R2).
В режиме насыщения наряду с отмеченным детекторным эффектом в цепи база-эмиттер имеет место коллекторное детектирование. Эффект коллекторного детектирования определяется нелинейностью проходной характеристики 1к=/(ибэ). Детектирование в базовой и коллекторных цепях противоположны по своему влиянию на коллекторный ток. Следовательно, эффект базового детектирования радиоимпульса помехи может быть нейтрализован операцией коллекторного детектирования. В результате амплитуда обратного выброса может быть существенно уменьшена, что приведет к уменьшению времени последействия.
Проведенная выше физическая оценка влияния нелинейных эффектов на время последействия УПЧ и алгоритмы, приведенные в разделе 2.3, позволят сделать определенные рекомендации по уменьшению величины /„. С увеличением уровня помехи целесообразно в целях уменьшения времени /„ смещать рабочую точку транзисторного каскада таким образом, чтобы эффекты базового и коллекторного детектирования нейтрализовали друг друга.
На рис. 3.5 показана зависимость времени последействия /„ от величины сопротивления смещения R\. При полной нейтрализации эффектов детектирования время последействия определяется временем рассасывания неосновных носителей. На рис. 3.6-а и 3.6-6 показаны, соответственно, осциллограммы смеси полезного и мощного мешающего импульсных сигналов на выходе УПЧ без нейтрализации обратного выброса и с его нейтрализацией.
Особенности блокирования приемной системы потоком случайных импульсных помех [102]
В данной работе не ставится задача оптимизации структуры комплекса с телеуправлением по радиоканалу (КТ) по какому-либо параметру. Делается попытка выбора структуры КТ из условий надежной эксплуатации контролируемого пункта (КП) без ухудшения его эффективности. КТ должен осуществлять сбор и объединение информации от различных КП комплекса с последующим (или одновременным) управлением параметрами КП, обеспечивая при этом ЭМС КТ. Этого можно достичь только путем автоматизации обработки, передачи и отображения телеметрической информации с помощью ЭВМ. Необходимыми компонентами КТ являются КП, ЭВМ, линия передачи данных и интерфейсы связи "ЭВМ-КП". В зависимости от технических характеристик компонентов КТ возможны различные варианты структур КТ. Такими техническими характеристиками в первом приближении можно считать: — число КП и число параметров КП, управляемых с помощью ЭВМ; — объем передаваемой информации; — скорость изменения параметров КП; — быстродействие и объем памяти ЭВМ; — тип интерфейса; — потери мощности, задержка по времени и искажение команд, вследствие переходных процессов в линиях передачи данных, и сигналов управления. В результате синтеза КТ должен обеспечивать: достаточную эффективность комплекса; возможность работы в случае поражения части вычислительных управляющих систем, обеспечения адаптивной работы отдельных КП комплекса в сложной сигнально - помеховой обстановке. Учитывая то, что КТ является одним из вариантов системы, требующей обеспечения ЭМС, то и структура КТ в принципе может быть построена по методу централизованной, децентрализованной и комбинированной структуры Достоинства и недостатки этих структур достаточно подробно рассмотрены в работах [92] и отражены в работе [3]. Централизованный метод предполагает концентрацию функций управления в едином центре, которой предписывает каждому КП численные значения организационных управляемых параметров. Централизованный метод, построенный на текущей информации об электромагнитной обстановке (ЭМО), в принципе может обеспечить оптимальную организацию [93,94]. Однако такая организация требует передачи в центр и переработки большого массива данных. В то же время управление комплексом КП немыслимо без быстрого принятия решений, причем требования к надежности и безопасности функционирования всей системы резко возрастают, ибо сбои в ее работе могут иметь серьезные последствия [95]. Проблема нахождения оптимального управления параметрами КП может решаться с помощью двухуровневой системы, обладающей организационной иерархией [92]. При двухуровневом иерархическом подходе каждый КП имеет собственный периферийный вычислительный комплекс - ПВК для решения задач управления техническими и организационными параметрами, и центральный управляющий вычислительный компьютер (ЦБК) (см. рис. 4.1) Особая роль отводится ЦВК, который может наделяться правом изменять правила с тем, чтобы побудить ПВК перейти к режиму совместимости. Многоуровневое управление (в данном случае двухуровневая иерархическая система) предпочтительнее централизованного подхода по многим техническим, экономическим и эксплуатационным причинам. Перечислим основные из них: 1) управление организационными параметрами может осуществляется быстрее и с меньшими требованиями к объемам памяти ЦБК; 2) система менее чувствительна к изменениям структуры взаимодействий, более того, нетрудно изменить состав общей системы; 3) в некоторых КП уже могут иметься ЭВМ, решающие другие технические и эксплуатационные задачи. Тогда ЦБК используется для диспетчерской координации; 4) при выходе из строя ЦБК осуществляется децентрализованное, в частном случае адаптивное, управление параметрами КП. Этого не удается сделать при централизованном управлении. Согласно этого подхода ЦБК может влиять (управлять) на КП на уровне целей, на уровне представлений (моделей), сбора информации и на уровне ограничений. Приведенные выше рассуждения не являются достаточно строгими, но позволяют сделать следующие общие выводы по принципу синтеза КТ: а) установка должна быть построена в виде двухуровневой иерархической системы; б) в качестве ЦБК можно использовать стандартную ПЭВМ; в) в качестве ПВК целесообразна разработка и использование контроллеров (спецпроцессоров), функционирующих автономно, или являющихся неотъемлемой частью КП. г) ЦБК осуществляет управление организационными параметрами комплекса, ПВК проводит управление техническими параметрами КП и передачу информационных и служебных параметров в ЦБК. д) связь ЦБК и контроллеров КП должна проводиться через последовательный интерфейс.
Унифицированный комплекс телемеханики унк тм с защищенным от помех радиоканалом
Рассмотрим ряд наиболее важных факторов, определяющих функции и структуру КП на примере системы телемеханики для газопроводов и конденсатопроводов ОАО "Газпром" [99,100].
Так как передача цифровых сигналов при выполнении некоторых простых условий обеспечивает значительное повышение помехоустойчивости канала связи по сравнению с передачей аналоговых сигналов, необходимо включение аналого-цифровых преобразователей (АЦП) на выходах первичных датчиков непрерывных измеряемых величин и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) на входах исполнительных механизмов.
Так как передача цифровых сигналов внутри конструктивных блоков осуществляется по закрытым (помехоустойчивым) линиям связи, необходимо и возможно реализовать экономное кодирование этих сигналов. Для использования экономных кодов к выходам цифровых сигналов первичных датчиков следует подключать кодеры источников, а сигналы на входы исполнительных механизмов подавать через декодеры источников.
Измерения значений непрерывных величин, характеризующих состояние объекта управления, преследуют две цели. Во-первых, измерения параметров рабочего газа (температуры, давления, перепада давлений) проводятся каждые пять секунд для вычисления среднего за час (или более) расхода (объема) газа, приведенного к нормальным условиям, по известному алгоритму с использованием констант вычислений, вводимых при конфигурировании системы. Во-вторых, контролируется соответствие измеряемых непрерывных параметров заданным предельным значениям. При этом пункт управления запрашивает информацию о среднем расходе газа не чаще одного раза в час и информацию о текущем значении контролируемого параметра только в случае его выхода за допустимые пределы. Таким образом, передаваемый на ПУ сигнал примерно в 2000 раз менее информативен, чем сигналы первичных датчиков. Точно также, команды, передаваемые с ПУ на исполнительные механизмы, могут соответствовать последовательности однозначно взаимосвязанных действий. Следовательно, для уменьшения количества передаваемой по линии связи информации целесообразно проводить предварительную обработку информации на выходах первичных датчиков и входах исполнительных механизмов, т.к. стоимость линии связи в значительной мере определяет стоимость комплекса телеуправления в целом.
При наличии устройств предварительной обработки информации в первичных датчиках и исполнительных механизмах контролируемый пункт объекта управления и ПУ становятся источниками сигналов с низкой производительностью. В этом случае предпочтительна последовательная (с временным разделением) передача данных по линии связи с системой приоритетов. Очевидно, наивысший приоритет имеют сигналы аварийной сигнализации и аварийного управления. При последовательном соединении нескольких КП с ПУ через одну линию связи промежуточные КП должны содержать ретранслятор транзитной информации, имеющий приоритет второго уровня во избежание внесения дополнительных ошибок со стороны входящих в промежуточный КП источников информации. При этом источники текущей информации на промежуточном КП имеют низший приоритет. Таким образом, подключение первичных источников и потребителей информации на КП к линии связи должно осуществляться через мультиплексор/демультиплексор с временным разделением каналов. 5. При соединении КП с ПУ через открытый канал связи с характерными для него внешними помехами необходимо использовать помехоустойчивое кодирование группового сигнала, вследствие чего в состав аппаратуры КП должен быть включен кодер/декодер канала. 6. Так как номенклатура контролируемых параметров на каждом из контролируемых пунктов может значительно отличаться, аппаратуру предварительной обработки и кодеры источников целесообразно объединять с первичными датчиками, а аппаратуру мультиплексирования/демультиплексирования и кодирования/декодирования группового сигнала объединять в общий для каждого КП управляющий модуль, создаваемый на универсальной платформе и конфигурируемый под конкретные функции контролируемого пункта. Таким образом, определяется следующая архитектура комплекса телеуправления: обработка данных от датчиков и сигнализаторов должна производиться в модулях, выполняющих строго определенную функцию по собственным независимым программам на базе собственных микропроцессорных контроллеров, а результаты обработки (выход телеизмерений за заданные установки, срабатывание телесигнализации и т.д.) должны передаваться в управляющий модуль КП (который реализован на собственном микропроцессорном контроллере и производит непрерывный опрос функциональных модулей на предмет наличия отклонений, наличия транзитной информации, вычисление расхода газа) для дальнейшей передачи на ПУ по каналам связи. Удаленный ПУ, функционирующий на базе центрального универсального вычислительного комплекса, выполняет функции контроля, управления несколькими КП и регистрации данных. Рассмотренные особенности структурной схемы комплекса телеуправления технологическими объектами газопроводов представлены на рисунке 4.3. Данная структура комплекса позволяет минимизировать количество передаваемой по линиям связи информации и за счет этого получить выигрыш по одному из перечисленных ниже параметров: - при фиксированном числе КП, подключаемых к одному ПУ, минимизировать требования к пропускной способности линии связи; — при фиксированной пропускной способности линии связи максимизировать число КП, подключаемых к одному ПУ.
