Введение к работе
Актуальность работы. Степень совершенства телекоммуникационных, радиотехнических, и оптоэлектронных систем в значительной мере определяется чувствительностью и помехоустойчивостью приемных устройств, входящих в состав этих систем. Повышение чувствительности и помехоустойчивости в значительной степени определяют требования по необходимой мощности передающего устройства. Следует отметить, что рост чувствительности современных приемных устройств в значительной степени определяется современной элементной базой, применяемой при их создании. Однако это направление повышения чувствительности и помехоустойчивости практически исчерпало свои возможности и поэтому ожидать значительного улучшения чувствительности приемных устройств в ближайшее время вряд ли возможно.
Второе направление улучшения чувствительности и помехоустойчивости связано с разработкой новых принципов приема сигналов на фоне помех. Основы теории оптимальных методов приема были заложены в фундаментальной работе академика В.А. Котельникова « Теория потенциальной помехоустойчивости приема при флуктуационных помехах». На базе этой работы в дальнейшем сформировалось мощное направление статистических методов приема сигналов на фоне шумов. Значительный вклад в развитие статистических методов приема сигналов внесли как зарубежные (Вудворд Ф.М., Миддлтон Д., Давенпорт В.Б., Слепян Д. , Хелстром К.), так и отечественные ученые. Среди отечественных ученых, внесших значительный вклад в развитие теории оптимальных методов приема сигналов на фоне шумов, следует отметить Большакова И.А., Вайнштейна Л.А., Зубакова В.Д., Гуткина Л.С, Левина Б.Р., Лезина Ю.С., Надеева А.Ф., Репина В.Г., Стратоновича Р.Л., Сифорова В.И., Сосулина Ю.Г., Сафиуллина Н.З., Тартаковского Г.П., Тихонова В.И , Фальковича С.Е., Харкевича А.А., Чабдарова Ш.М., Ширмана Я.Д. и других. Теория помехоустойчивости в настоящее время разработана достаточно полно. Если первые работы в этой области базировались на методах линейной фильтрации смеси сигнала и шума, то последующее успехи связаны с интенсивным развитием методов нелинейной фильтрации смеси сигнал и шума. Большой интерес к теории нелинейной фильтрации объясняется в первую очередь тем, что эта теория
находит свое применение в тех практически важных случаях, когда не требуется предположение о нормальном характере сигнала и шума.
Нелинейные методы обработки при приеме слабых сигналов всегда привлекали внимание большого числа исследователей. Таким образом, теория оптимальной нелинейной фильтрации хорошо разработана в работах Стратоновича Р.Л., Тихонова В.И., Сосулина Ю.Г. и др. для практически важных случаев. Дальнейшее развитие теории нелинейной фильтрации нашло свое отражение в работах Репина В.Г. и Большакова И.А., Сосулина Ю.Г..
Существует несколько подходов к нелинейной оптимальной фильтрации. Можно заранее ограничится некоторым классом нелинейных преобразований и искать преобразование, наилучшее в этом классе. При этом получается трудно решаемые уравнения и остается неясным, насколько оптимальное преобразование в данном классе близко к преобразованию, которое находится без указанных ограничений. При других подходах не вводится ограничение на класс преобразования, но используются марковские свойства рассматриваемых процессов или условия высокой апостериорной точности, позволяющей применять гауссову аппроксимацию многомерного апостериорного распределения и (на определенном этапе) линейные методы. При этом результирующее оптимальное преобразование оказывается состоящим из последовательности нелинейного и линейного преобразования.
Другие эффективные методы отыскания оптимальных преобразований основаны на применении теории условных марковских процессов, разработанной Стратоновичем Р.Л. для решения задач нелинейной фильтрации В частности разработанная им теория охватывает тот простой, но практически важный случай, когда принятое колебание e(t) является суммой сигнала и белого шума, а сигнал и его параметры представляют собой марковские случайные процессы. Подробный вывод уравнений нелинейной фильтрации применительно к этому случаю приводится и в работе Тихонова В.И..
Практическая реализация, как указывают многие авторы приведенных работ по нелинейной фильтрации, представляют значительные трудности и поэтому эти методы не нашли широкого применения на практике.
Однако на практике получили распространения ряд удачных, но более простых в реализации устройств, дающие близкие результаты по улучшению помехоустойчивости, вытекающие из теории нелинейной фильтрации. Среди этих устройств в первую очередь следует отметить схему ШОУ (широкая полоса- ограничитель амплитуд- узкополосный фильтр) и схемы с
применением подавителя Лэмба. Указанные устройств просты в реализации и весьма эффективны при выделении радиосигналов на фоне импульсных помех. Существующая теория оптимальных методов приема узкополосных сигналов удовлетворительно работает при больших отношениях сигнал шум. Обычно отношение сигнал шум, которое необходимо обеспечить на выходе системы, соответствует величине более 10. При этом пороговые значения сигналов определяются относительно уровня собственных шумов приемного устройства. Наличие других видов помех приводит к необходимости увеличения интенсивности сигнала на входе системы за счет увеличения мощности передатчика. Работа в этом режиме характеризуется реальной чувствительностью приемного устройства с учетом уровня помех. Реальная чувствительность ниже пороговой чувствительности приемного устройства, определяемой лишь уровнем его собственных шумов. В настоящее время основным способом повышения пороговой чувствительности является уменьшение собственных шумов системы за счет применения малошумящих активных элементов, малошумящих способов усиления и глубокое охлаждения первых каскадов усиления приемных устройств. До сих пор не нашли должного отражения -в научной печати возможность повышения чувствительности и помехоустойчивости, связанная с реализацией положений теоремы Слепяна. Вопрос о повышении пороговой чувствительности за счет обработки смеси сигнала и шума с использованием основных положений указанной теоремы остается неизученным. В известной нам литературе не приводятся какие-либо алгоритмы обработки смеси сигнала и шума с целью повышения пороговой чувствительности, базирующиеся на теореме Слепяна. Предпосылкой того, что указанные алгоритмы обработки смеси сигнала и шума существуют, являются исследования помехоустойчивости органов, обеспечивающих связь живых существ с окружающим их миром, проведенные радиоспециалистами. В работе М. Гаазе-Раппопорта «Автоматы и живые организмы» указывается, что биологические системы обладают помехоустойчивостью в 10-100 раз превышающую помехоустойчивость созданных человеком радиотехнических систем. Известно, при приеме информации телеграфном режиме с помощью азбуки Морзе радиотелеграфист способен принимать сигналы, когда мощность сигнала в 16 раз меньше мощности шумов. Таким образом, важной научно-технической проблемой является поиск методов и алгоритмов обработки смеси сигнала и шума существенно повышающих чувствительность и
помехоустойчивость приемных устройств телекоммуникационных,
радиотехнических и оптико-электронных систем.
Поэтому особый интерес представляют работы, направленные на поиск новых физических явлении, новых способов построения приемных устройств с целью увеличения их чувствительности и помехоустойчивости.
Таким образом, является актуальным поиск методов и алгоритмов обработки шума и смеси сигнала и шума с целью обеспечения более высокой помехоустойчивости приемных устройств.
Цель и основные задачи диссертационного исследования:
Целью диссертационной работы является поиск и исследование новых
методов обработки сигналов для повышения чувствительности и
помехоустойчивости приемных устройств телекоммуникационных,
радиотехнических и оптоэлектронных систем с гетеродинным приемом сигналов.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
Анализ существующих подходов к повышению помехоустойчивости и чувствительности приемных устройств телекоммуникационных, радиотехнических и оптико-электронных систем и поиск новых концепций построения алгоритмов обработки смеси сигнала и шума.
Выявление информативных признаков различения смеси сигнала и шума и только шума на выходе узкополосного фильтра.
Разработка методов построения и алгоритмов работы устройств, обеспечивающих повышение помехоустойчивости при обработке смеси сигнала и шума на выходе квазиоптимального узкополосного фильтра.
Влияние технических нестабильностей на условия работы и выходные характеристики устройства обработки смеси сигнала и шума на выходе узкополосного фильтра.
Поиск основных методов преобразования смеси сигнала и шума до квазиоптимальной линейной фильтрации с целью обеспечения повышения помехоустойчивости приемного устройства.
Исследование возможных схем построения приемных устройств для реализации методов преобразования смеси сигнала и шума на входе квазиоптимального линейного фильтра.
Исследование возможности реализации двухкаиальпых систем с изменением коэффициента взаимной корреляции при подачи на их вход смеси сигнала и шума и оценка работоспособности таких систем для повышения их помехоустойчивости.
Разработка и внедрение технических средств для повышения помехоустойчивости приемных устройств различного назначения.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечиваются:
- математической строгостью, которой придерживается автор при получении аналитических решений и разработке алгоритмов численного моделирования, непротиворечивостью полученных результатов и выводов, их согласованием с существующими положениями общепринятой теории;
Использованием математических моделей, адекватно отображающих преобразование сигнала в тракте радиоприемного устройства, и результатами тестирования алгоритмов, которые хорошо согласуются в частных случаях с экспериментальными данными полученными другими исследователями;
Экспериментальным подтверждением результатов теоретических исследований и использованием полученных данных в практических разработках.
Научная новизна работы:
Показано, что для повышения помехоустойчивости приемных устройств необходимо применить амплитудно-фазовое преобразование смеси сигнала и шума на выходе квазиоптимального линейного фильтра и амплитудно-частотное преобразование смеси сигнала и шума на входе квазиоптимального линейного фильтра.
Впервые установлено, что узкополосные шумы на выходе узкополосного линейного фильтра по своей структуре соответствуют амплитудно-модулированному сигналу с подавленной несущей. А смесь гармонического сигнала и шума при больших отношениях сигнала к шуму имеет структуру амплитудно-модулированного колебания. Таким образом, шум и смесь сигнала и шума на выходе узкополосного фильтра имеют различия по структуре сигналов. Показана возможность использования структурных различий шума и смеси сигнала и шума для повышения помехоустойчивости приемных устройств.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований показано, что при достижении огибающей узкополосного шума нулевого значения фаза высокочастотного заполнения всегда изменяется на л. При изменении фазы высокочастотного заполнения в момент достижения огибающей узкополосного шума нулевого значения на л структура узкополосиого шума соответствует структуре амплитудно-модулированного колебания. Так как огибающая узкополосного шума при этом не изменяется, то это приводит к расширению спектра выходного сигнала. Изменение спектров узкополосных шумов при коммутации фазы в момент прохождения огибающей через нуль наблюдалось для всех типов узкополосных фильтров.
Результаты математического моделирования процессов в узкополосных системах с переключателем фазы высокочастотного заполнения на л при достижении огибающей нулевого значения.
Предложен метод повышения помехоустойчивости приемного устройства и метод измерения отношения сигнал/шум в области малых отношений сигнал к шуму (менее 3) за счет изменения структуры смеси сигнал и шума и за счет использования переключателя фазы л.
6. Исследованы вопросы влияния технических нестабильностей на работу
системы с коммутатором фазы. Показано, что указанные алгоритмы и
устройства могут быть реализованы на современной элементной базе.
Показано, что для повышения помехоустойчивости приемных устройств необходимо перед узкополосным квазиоптимальным фильтром применить амплитудно-частотный преобразователь шума и смеси сигнала и шума. В качестве амплитудно-частотного преобразователя целесообразно использовать нелинейный контур с емкостью p-n-перехода или перестраиваемый колебательный контур с обратной связью по амплитуде выходного сигнала.
Проведены теоретические исследования прохождения шума через нелинейный контур с емкостью p-n-перехода и амплитудно-частотный преобразователь на базе колебательного контура, охваченного обратной связью по амплитуде выходного сигнала. Показано, что дисперсия шумов на выходе нелинейного контура и амплитудно-частотного преобразователя с цепью обратной связи определяется интенсивностью шумов на входе и избирательными свойствами контуров, на базе которых осуществляется амплитудно-частотное преобразование смеси сигнала и шума. Дисперсии
шумов на выходе рассмотренных преооразователей равны дисперсии шумов на выходе линейного контура с такими же избирательными свойствами. Распределение амплитуд на их выходе подчиняется нормальному закону. Спектр выходного сигнала указанных выше устройств при воздействии широкополосных шумов за счет обратной связи по амплитуде выходного сигнала несимметричен. Увеличение интенсивности шумов приводит к расширению выходного спектра.
9. На базе теоретических исследований прохождения смеси широкополосного шума и гармонического сигнала через амплитудно-частотный преобразователь показано, что средние частоты спектров процессов на выходе при воздействии на вход только широкополосного шума и смеси сигнала и широкополосного шума не совпадают. Различие в средних частотах спектров увеличивается с ростом величины сигнала. Указанные свойства могут быть использованы при создании систем с повышенной помехоустойчивостью.
Ю.Исследованы взаимнокорреляционные связи выходных процессов амплитудно-частотных преобразователей С различной фазировкой сигналов в цепи обратной связи. Показано, что если оба амплитудно-частотных преобразователя настроены на частоту сигнала, то при отсутствии сигнала коэффициент взаимной корреляции шумов на выходе амплитудно-частотных преобразователей меньше единицы и зависит от величины сигнала. При отношении сигнал/шум больше 2 коэффициент взаимной корреляции шумов на выходе амплитудно-частотных преобразователей близок к нулю. На базе этих исследований разработана двухканальная приемная система, позволившая повысить помехоустойчивость приемного устройства в 2 раза по сравнению с линейным квазиоптимальным приемником.
Практическая значимость диссертационной работы определяется:
1. Предложенными алгоритмами обработки смеси сигнала и шума на базе
амплитудно-фазового и амплитудно-частотного преобразований с целью
повышения помехоустойчивости приемных систем и новыми устройствами,
реализующие указанные алгоритмы обработки смеси сигнала и шума.
2. Результатами исследований влияния технических нестабильностей на
работу устройств с переключателем фазы и полученными рекомендациями
по технической реализации устройств с амплитудно-фазовым преобразованием смеси сигнала и шума.
Предложенным методом измерения малых отношений сигнал/шум и разработка на его базе измерительной аппаратуры для измерения малых отношений сигнала к шуму.
Предложенным методом повышения помехоустойчивости приемных устройств, состоящих из двух параллельно включенных амплитудно-частотных преобразователей на баз колебательных контуров с различными фазировками сигналов управления в цепи обратной связи.
Разработкой и внедрением на практике новых устройств и систем с высокой помехоустойчивостью на базе амплитудно-фазового и амплитудно-частотного преобразования смеси сигнала и шума.
Реализация и внедрение результатов исследований
Результаты работы по повышению помехоустойчивости приемных устройств различного назначения внедрены и использовались при выполнении хоздоговорных и бюджетных НИР в ФГУП НПО ГИПО, ФГУП КАПО им. СП. Горбунова, ФГУП ФНПЦ «Радиоэлектроника» имени В.И.Шимко, ЗАО «Радиоприбор», ЦКБ «Фотон». Научно-технические результаты работы использовались при выполнении НИР по 3-м научно-техническим программам по направлению инновационное сотрудничество Минобразования РФ и Минобороны РФ.
Материалы диссертационной работы практически использутся в учебном процессе кафедры Радиоэлектронных и квантовых устройств КГТУ имени А.Н.Туполева при подготовке бакалавров, инженеров и магистров по специальностям 2007 и 2015 направления «Радиотехника».
Личный вклад
Материалы диссертации являются обобщением работ автора по данному направлению, выполненных в период с 1993 по 2004 г., и отражают его личный вклад в решаемую проблему. В целом он состоял в постановке рассмотренных задач, разработке методов исследования, алгоритмов численного моделирования и интерпретации полученных результатов. На всех этапах работы автор являлся ответственным исполнителем НИР. В опубликованных
работах с соавторами, включенных в диссертацию, автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методов исследования, теоретических моделей и методов анализа, разработке алгоритмов и математических имитационных моделей, в проведении теоретических расчетов и экспериментов, проводил анализ результатов и их обобщение.
Апробация работы
Основные материалы диссертации докладывались на XII
Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в
атмосфере и водных средах (Томск, 1993 г.), Научно-технической конференции
по итогам работы за 1992-1993 г. (Казань, 1994 г.), I Межреспубликанском
Симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1994 г), III Всесоюзной
конференции молодых ученых и специалистов (Казань 1994 г.), II
Республиканская научная конференция молодых ученых и специалистов
(Казань 1996 г.), IV Симпозиуме оптики атмосферы и океана (Томск 1997 г.),
Научно-методическая конференция Артиллерийского училища (Казань 1999 г.),
VII Международный симпозиум оптики атмосферы и океана (Томск 2000 г.), X
Международный симпозиум оптики атмосферы и океана (Томск 2003 г.), 58-й
Научной сессии посвященной Дню радио (Москва 2003 г.), XVI Всероссийской
межвузовской научно-технической конференции (Казань 2004 г.), а также на
ряде региональных, межведомственных, местных совещаниях, и
специализированных семинарах.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Возможность повышения помехоустойчивости приемных устройств за счет использования амплитудно-фазовое преобразование смеси сигнала и шума на выходе квазиоптимального линейного фильтра и амплитудно-частотное преобразование смеси сигнала и шума на входе квазиоптимального линейного фильтра. Результаты исследований структуры узкополосных шумов и ее изменение при воздействии гармонического сигнала с различной амплитудой. Шумы на выходе узкополосного линейного фильтра по своей структуре соответствуют амплитудно-модулированному сигналу с подавленной несущей. А смесь гармонического сигнала и шума при больших отношениях сигнала к шуму имеет структуру амплитудно-
модулированного колебания. Таким образом, шум и смесь сигнала и шума на выходе узко полосного фильтра имеют различия по структуре сигналов. Показана возможность использования структурных различий шума и смеси сигнала и шума для повышения помехоустойчивости приемных устройств.
Результаты математического моделирования процессов в узкополосных системах с переключателем фазы высокочастотного заполнения на л при достижении огибающей нулевого значения
Показано, что при достижении огибающей узкополосного шума нулевого значения фаза высокочастотного заполнения всегда изменяется на л . При изменении фазы высокочастотного заполнения в момент достижения огибающей узкополосного шума нулевого значения на л структура узкополосного шума изменяется и соответствует структуре амплитудно-модулированного колебания. Так как огибающая узкополосного шума при этом не изменяется, то это приводит к расширению спектра выходного сигнала.
Метод повышения помехоустойчивости приемного устройства и метод измерения отношения сигнал/шум в области малых отношений сигнал к шуму (менее 3) за счет изменения структуры смеси сигнал и шума.
Результаты исследований влияния технических нестабильностей на работу системы с коммутатором фазы. Подтверждена возможность технической реализации предложенных устройств с переключателем фазы на современной элементной базе.
Возможность повышения помехоустойчивости приемных устройств за счет применения амплитудно-частотного преобразователь шума и смеси сигнала и шума, установленного перед узкополосным фильтром. В качестве амплитудно-частотного преобразователя целесообразно использовать нелинейный контур с емкостью p-n-перехода или перестраиваемый колебательный контур с обратной связью по амплитуде выходного сигнала.
Результаты исследования прохождения широкополосного нормального шума через амплитудно-частотный преобразователь на базе колебательного контура, охваченного обратной связью по амплитуде выходного сигнала. Показано, что дисперсия шумов на выходе амплитудно-частотного преобразователя определяется интенсивностью шумов на входе и избирательными свойствами контуров, на базе которых осуществляется амплитудно-частотное преобразование смеси сигнала и шума. Дисперсия шумов на выходе рассмотренного амплитудно-частотного преобразователя
равна дисперсии шумов на выходе линейного контура с такими же избирательными свойствами. Распределение амплитуд на их выходе подчиняется нормальному закону. Спектр выходного сигнала указанных выше устройств за счет обратной связи по амплитуде выходного сигнала несимметричен. Увеличение интенсивности шумов приводит к расширению выходного спектра.
Результаты исследования прохождения смеси шума и гармонического сигнала через амплитудно-частотный преобразователь на базе колебательного контура, охваченного обратной связью по амплитуде сигнала, показали, что средние частоты спектров сигналов на выходе указанных устройств при воздействии на входе только широкополосного шума и смеси сигнала и широкополосного шума не совпадают. Различие в средних частотах спектров увеличивается с ростом величины сигнала. Указанные свойства могут быть использованы при создании систем с повышенной помехоустойчивостью.
Результаты исследования взаимно-корреляционных связей выходных процессов амплитудно-частотных преобразователей с различной фазировкой сигналов в цепи обратной связи. Показано, что если оба амплитудно-частотных преобразователя настроены на частоту сигнала, то при отсутствии сигнала коэффициент взаимной корреляции шумов на выходе амплитудно-частотных преобразователей меньше единицы и зависит от интенсивности шумов. При отношении сигнал/шум больше 2 коэффициент взаимной корреляции шумов на выходе амплитудно-частотных преобразователей при отсутствии сигнала близок к нулю. На базе этих исследований разработана двухканальная приемная система, позволившая повысить помехоустойчивость приемного устройства в 2 раза по сравнению с линейным квазиоптимальным приемником.
Ю.Разработка и результаты внедрения технических средств для повышения помехоустойчивости приемных устройств различного назначения на базе амплитудно-фазового и амплитудно-частотного преобразования смеси сигнала и шума.
Объем и структура работы
