Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Задача совершенствования систем обработки сигналов в комплексах дальней тропосферной связи 11
1.1. Системы обработки сигналов многолучевых каналов 11
1.2. Постановка задачи исследований ... 15
1.3. Выводы 19
Глава 2. Разработка имитатора многолучевого канала передачи информации 20
2.1. Разработка математической модели радиоканала 20
2.1.1. Основные положения. 20
2.1.2. Быстрые замирания 22
2.1.3. Медленные замирания и суточный ход параметров этого процесса 39
2.1.4. Временные и селективно-частотные замирания 43
2.2. Адекватность математической модели дальнего тропосферного радиоканала реальным каналам передачи информации 48
2.3. Разработка алгоритма имитации радиоканала... 50
2.3.1. Общие положения 50
2.3.2. Алгоритм имитации медленных замираний 54
2.3.3. Алгоритм имитации временных и селективно-частотных замираний 58
2.3.4. Алгоритм имитации быстрых замираний
2.4. Практические результаты оценки подобия имитатора 64
2.5. Выводы 71
Глава 3. Анализ систем обработки сигналов при разнесенном приеме 72
3.1. Общие положения 72
3.2. Вероятность срывов передачи сигналов при многолучевом распространении 72
3.3. Разработка алгоритма оценки помехоустойчивости устройств комбинирования сигналов методом автовыбора 79
3.4. Разработка алгоритма оценки помехоустойчивости устройств линейного сложения разнесенных сигналов.., 81
3.5. Разработка алгоритма оценки помехоустойчивости при оптимальном сложении 83
3.6. Исследование погрешности разработанных алгоритмов 85
3.7. Анализ помехоустойчивости устройств комбинирования 87
3.8. Анализ устройств сложения сигналов при воздействии внешних помех 88
3.8.1. Оптимальное сложение 91
3.8.2. Линейное сложение 101
3.8.3. Автовыбор 106
3.9. Выводы 109
Глава 4. Разработка методов обработки сигналов для повышения помехозащищенности систем с разнесенным приемом
4.1. Методы адаптивной компенсации помех 110
4.2. Алгоритмы адаптивной фильтрации
4.3. Метод компенсации с повышенной универсальностью к виду помех 123
4.4. Метод компенсации помех при неопределенности помехо вой обстановки 136
4.5. Метод подавления узкополосной сосредоточенной помехи 140
4.6. Метод борьбы с комплексом узкополосных помех 151
4.7. Методы борьбы с помехами в системах с шумоподобны ми сигналами 157
4.8. Выводы 162
Глава 5. Алгоритмы управления при формировании мощных сигналов 163
5.1, Методы формирования мощных высокочастотных сигналов передатчиков ДТС 163
5.2. Анализ устройств сложения и деления мощных сигналов 167
5.3. Алгоритмы защиты мощных каскадов усиления от перегрузок 174
5.3.1. Причины отказов мощных транзисторов и их защита 174
5.3.2. Метод защиты по уровню отраженной от нагрузки энергии 179
5.3.3. Алгоритм защиты мощного каскада по изменениям постоянной составляющей коллекторного тока 183
5.3.4. Алгоритмы защиты, основанные на использовании пилот-сигналов 185
5.4. Выводы 186
Глава 6. Алгоритмы управления сигналами при работе систем на динамически изменяющуюся нагрузку 187
6.1. Проблемы согласования мощных генераторов с нагрузкой 187
6.2. Алгоритм измерения импеданса флуктуирующей нагрузки высокочастотного генератора 188
6.3. Разработка градиентного алгоритма управления согласованием 189
6.4. Разработка алгоритма управления согласованием непрерывного действия 196
6.5. Выводы 203
Заключение 204
Литература
- Постановка задачи исследований
- Медленные замирания и суточный ход параметров этого процесса
- Разработка алгоритма оценки помехоустойчивости устройств комбинирования сигналов методом автовыбора
- Метод компенсации с повышенной универсальностью к виду помех
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из главных проблем развития систем дальней радиосвязи является повышение эффективности управления их сигналами. Особенно остро это проявляется в условиях многолучевых каналов передачи и обработки информации, когда параметры сигналов подвержены случайным, а часто и нестационарным флуктуациям. Большая роль систем с многолучевостью, применяемых в дальней радиосвязи, в радиолокации и навигации, в медицинской диагностике, в телеметрии и т.д., а также масштабы их практического применения, переводят эту проблему в разряд важнейших задач науки и техники.
Разработка алгоритмов обработки сигналов, эффективно использующих возможности многолучевых каналов, в явной форме способствует росту эффективности нужных хозяйству страны систем и вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области радиосвязи. Бурный рост темпов развития средств мобильной радиосвязи, наблюдаемый сейчас в стране, и большие масштабы применения других систем с многолучевостью определяют значительный экономический выигрыш при внедрении новых алгоритмов обработки сигналов.
Отметим тот большой вклад в исследование многолучевых каналов и в разработку алгоритмов обработки сигналов в комплексах управления и связи, который внесли отечественные ученые Б.А. Введенский, Д.Д. Кловский, ІО.Г. Сосулин, В.В. Шахгильдян и многие другие.
Опыт использования систем дальней тропосферной связи (ДТС) показал, что единый подход при управлении сигналами, прошедшими многолучевые каналы, отсутствует, а конкретные алгоритмы работы систем, позволяющие успешно выполнять частные задачи, далеки от совершенства. На примере практического использования систем ближней навигации и систем посадки самолетов подтвердим эту мысль.
Эксплуатация систем посадки самолетов в аэропортах с различными географическими и рельефными условиями показала отрицательное влияние многолучевых сигналов на качество работы систем навигации и посадки. Источниками многолучевости, возникающей за счет многочисленных переотражений сигналов, выступают аэродромные сооружения, транспортные наземные и воздушные средства, неровности поверхности земли и различные хозяйственные объекты.
Полное устранение источников переизлучений - практически не реализуемая задача, а радикально избавиться от переотражений сигналов аппара -турными средствами путем освоения гигагерцового диапазона рабочих час-
тот и использования пространственной селекции сигналов за счет применения узконаправленных антенн и выбора места расположения радиомаяков не удается. Наличие переотраженных от местных предметов сигналов приводит к зависимости сигналов управления и эксплуатационных параметров систем навигации и посадки самолетов от климата, влажности, характеристик подстилающей поверхности, температуры и других случайных показателей.
Необходимое хозяйству страны повышение интенсивности использования аэродромов вступает в противоречие с явлением многолучевости сигналов. Возникает актуальная народнохозяйственная и научная проблема обеспечения высокого качества функционирования систем управления в условиях многолучевых каналов.
Проблема универсальна для большинства систем, так как задачи управления сигналами в системах дальней тропосферной радиосвязи, в телеметрии, в медицинском диагностическом оборудовании, в радионавигации и в целом ряде других сложных систем основаны на близких друг к другу алгоритмах.
Особенно остро она проявляется в комплексах дальней тропосферной связи, использующих разнесенный прием. Присутствие многолучевости в каналах формирования, передачи и обработки сигналов для систем ДТС приводит к негативным последствиям, а именно:
возникают случайные флуктуации амплитуды, фазы, времени распространения и обработки (замирания) сигналов, что приводит к резкому снижению основных качественных параметров системы;
возрастает объем аппаратуры, используемой для выполнения поставленных целей, что увеличивает ее стоимость и уменьшает надежность систем;
усложняются алгоритмы функционирования устройств управления и обработки информации;
- при разработке новых систем ДТС возникает необходимость в продолжительных натурных испытаниях, что затягивает сроки и увеличивает стоимость разработки.
Иногда разветвление сигналов управления организуют искусственно, для более эффективного выполнения целей, стоящих перед системой. Например, применение пространственного разнесения при передаче сигналов позволяет на приемной стороне получать копии информационного сигнала, прошедшие канал распространения различными путями и вследствие этого, по разному искаженных и пораженных помеховыми сигналами. Использование искусственных каналов разветвления в мощных генераторных уст-
ройствах дает возможность практической реализации схем сложения мощностей отдельных усилителей и позволяет достигать требуемых мощностей выходного сигнала применением элементной базы меньшей мощности.
И при естественной многолучевости, и при формировании ее искусственно требуются алгоритмы обработки сигналов, синтезированные так, чтобы система могла выполнять свою целевую задачу наиболее эффективно. Известные на настоящее время решения в рамках сформулированной проблемы ориентированы на традиционные методы, основанные на отладке и доработках систем радиосвязи с многолучевыми каналами (МК) путем дорогостоящих натурных испытаний, и имеют следующие недостатки:
вынуждают закладывать необоснованные запасы по основным техническим характеристикам при разработке систем, что увеличивает их стоимость;
не обеспечивают приемлемую помехозащищенность по отношению к различным возможным видам мешающих сигналов;
не могут автоматически и адаптивно перестраиваться для наилучшего решения целевой функции системы;
- не позволяют оценить эффект от применения перспективных новых
решений систем.
Наиболее целесообразный путь повышения качества функционирования систем ДТС - улучшение организации систем, основанное на методах математического и электронного моделирования многолучевого канала и реализация на этой базе новых алгоритмов обработки сигналов. При этом алгоритмы должны быть ориентированы на автоматическое и адаптивное выполнение целевых функций системы ДТС при компенсации возможных помеховых сигналов.
Цели работы, вытекающие из характера проблемы: разработка теоретических основ системы обработки многолучевых сигналов (СОМС) в комплексах связи и синтез семейства алгоритмов обработки сигналов с их реализацией и экспериментальным исследованием в реальных условиях эксплуатации.
Исходя из целей работы задачами исследования являются:
-
Построение математической модели многолучевого радиоканала.
-
Разработка и создание имитатора радиоканала.
-
Оценка подобия математической модели и имитатора реальным радиоканалам.
-
Анализ помехоустойчивости систем обработки многолучевых сигналов и разработка методики ее оценки.
-
Разработка семейства алгоритмов компенсации помеховых сигналов в условиях многолучевости.
-
Синтез алгоритмов управления при формировании мощных ВЧ сигналов на передающей стороне систем связи.
Методы исследования. В работе использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории передачи информации, теории связи, методы моделирования, численные методы решения задач и методы экспериментального исследования.
Научная новизна работы состоит в создании основ системы обработки многолучевых сигналов в комплексах связи и сконцентрирована в следующем:
1. Предложена математическая модель многолучевого тропосферного
радиоканала, определены и конкретизированы вариации ее параметров.
-
Созданы математическое обеспечение и методология построения имитаторов, адекватных реальным радиоканалам.
-
Получены соотношения для оценки помехоустойчивости при различных способах обработки многолучевых сигналов.
-
Предложено семейство алгоритмов адаптивной компенсации помеховых сигналов различной структуры и вида. Синтезированы в том числе алгоритмы с повышенной универсальностыо к виду помех, функционирующие и при априорной неопределенности помеховой обстановки.
-
Разработаны алгоритмы адаптивного согласования импеданса передатчиков с переменными нагрузками.
Практическая ценность работы. Вошедшие в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ, проводившихся по постановлениям правительственных органов в интересах МПСС, МРП, МС, АН СССР и РАН в период с 1972 по 1998 гг., а также в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ Владимирского государственного университета. Окончательные теоретические результаты получены автором в ходе выполнения проекта Российского фонда фундаментальных исследований.
Практическая значимость результатов исследования заключается в следующем:
1, Разработанные и созданные имитаторы многолучевого радиоканала ДТС, дают возможность:
проводить испытания систем связи, управления, передачи и обработки информации, работающих в тропосферном радиоканале;
на стадии проектирования новых систем осуществлять коррекцию схемотехнических решений;
выполнять сертификацию тропосферных радиосистем;
проводить обучение персонала по обслуживанию сложных систем ДТС.
-
Полученные соотношения по оценке помехоустойчивости в многолучевом канале с четырехпараметрическнм законом распределения быстрых замираний удобны для расчетов и позволяют корректно выполнять оценку.
-
Разработанные и апробированные адаптивные компенсаторы помехо-вых сигналов позволяют ослаблять помехи до 30 дБ.
-
Предложенное семейство мощных транзисторных высокочастотных генераторов обладает повышенной степенью защиты выходных каскадов от перегрузок.
-
Созданные адаптивные устройства управления сигналами при работе ВЧ генераторов на переменные нагрузки уменьшают потери ВЧ энергии.
Предложенные и внедренные технические решения дают значительный экономический эффект; обеспечивают качественное управление сигналами многолучевых каналов; используются в различных отраслях хозяйства страны. Поэтому решенная в работе научная проблема имеет важное народнохозяйственное значение.
Новые теоретические и практические результатьг диссертационной работы, а также 17 авторских свидетельств и патент на изобретения нашли применение как в промышленности, так и в учебном процессе при подготовке инженеров радиотехнического и радиофизического направлений.
На предприятиях различных отраслей, в учебных вузах (МГУ им. М.В. Ломоносова, ВлГУ) и в институтах РАН внедрены: имитаторы многолучевого радиоканала, устройства адаптивной компенсации помеховых сигналов, мощные высокочастотные генераторы, устройства адаптивного согласования импедансов, а также методики расчета помехоустойчивости систем ДТС, алгоритмы защиты мощных усилительных каскадов от перегрузок и инженерные методики расчета мостовых схем сложения в микрополоско-вом исполнении. Внедрение результатов исследований иллюстрируется таблицей.
На защиту выносится совокупность новых научно обоснованных технических решений в рамках проблемы обеспечения высокого качества функционирования систем ДТС, включающая в себя:
-
Математическую модель радиоканала дальней тропосферной связи;
-
Алгоритмы и устройства имитации многолучевого радиоканала;
-
Методику оценки помехоустойчивости для различных способов обработки сигналов ДТС;
Результаты исследований Общая математическая модель кана-лаДТС Алгоритмы имитации воздействий многолучевое ти на радиосигналы при ДТС
Оценка вероятности срывов передачи многолучевых сигналов
Пакет алгоритмов компенсации помеховых сигналов
Алгоритмы формирования мощных ВЧ сигналов
Алгоритмы
управления
при динами
ческой на
грузке гене
раторов
Изобретения, публикации
[ 1, 2, 9, 38, 41, 44, 54 ]
А.с. 428373,
[ 1,2, 36, 39, 40,
42, 43, 45 ]
[6, 7, 9, 37, 46, 47]
А.с. 778403,
7,
5 1628206 [46,
47,55,57,58]
[5,8, 10, 11, 13-17,47,50,51,]
А.с. 1743319, патент 2056683
[ 3, 4, 48, 49, 52 ]
Объект внедре
ния
Методика расчета энергопотенциала систем ДТС
Имитаторы для отработки схемотехнических решений систем с МК и для обучения обслуживающего персо-нала систем ДТС Методика оценки устройств комбинирования разнесенных сигналов
Системы обработки разнесенных сигналов в приемных устройствах систем радиосвязи
Семейство мощных генераторов возбуждения газоразрядных сред
Устройства согласования генераторов с переменной нагрузкой
Достигнутый эффект
Рассчитан запас на замирания для систем Р-420Д и
Р-444
Использованы при модернизации системы ДТС Р-420, разработке системы Р-444, обучении инженеров в ВлГУ и училищах МО Использована для анализа технических решений при проектировании системы связи
типа Р-444
Подавление помехи в спектре сигнала до 30 дБ при априорной неопределенности помеховой обстановки
Повышена надежность ВЧ генераторов. Упрощен расчет мостовых схем Энерговклад возрос на 10-20%. Повышена защита ВЧ генераторов от перегрузок
-
Семейство алгоритмов и устройства обработки сигналов комплексов тропосферной связи с адаптивной компенсацией помех;
-
Алгоритмы и устройства формирования мощных высокочастотных сигналов и согласования их с переменной нагрузкой.
Апробация работы. По материалам, изложенным в диссертационной работе, сделаны доклады на пяти международных, четырех всесоюзных и республиканских НТК, 26 НТК профессорско-преподавательского состава Владимирского государственного университета, на двух НТК Рязанской радиотехнической академии, на НТК Таганрогского радиотехнического института и двух НТК Московского технического университета связи и информатики.
Публикации по работе. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 58 работ, включая монографию, 17 авторских свидетельств, и патент на изобретения, ряд статей в центральных отечественных и зарубежных журналах, а также в допускающих изложение материалов докторских диссертаций изданиях. Часть материалов изложена в научно-технических отчетах по НИР, выполненных под научным руководством и при непосредственном участии автора. Материалы исследований широко представлены в учебно-методических публикациях автора по курсам: "Моделирование процессов и систем" и "Устройства генерирования и формирования сигналов".
Структура работы. Диссертация изложена на 239 стр. машинописного текста ( 190 стр. текста, 16 стр. рисунков, 13 стр. списка литературы, 20 стр. приложений) и состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы, имеющего 196 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 58 работ автора. В приложения вынесены исследования влияния суточного хода параметров процесса медленных замираний на интегральную плотность распределения вероятностей этого процесса, а также материалы о внедрении результатов диссертационной ра-.боты.
Постановка задачи исследований
Разнообразие систем с МКПС и важность целей, выполняемых ими, настоятельно требуют создания общих и эффективных алгоритмов обработки сигналов в таких системах. Актуальность этой задачи, как уже отмечалось, следует из важной роли таких систем, как: системы навигации, радиолокации, системы дальней многоканальной радиосвязи, медицинская диагностическая аппаратура и т.д. Простое перечисление областей применения этих систем говорит о важности повышения их эффективности, а общий фактор - МК, присущий таким системам, дает возможность решения этой задачи.
Для повышения эффективности систем, работающих с многолучевыми сигналами, необходимо разработать СОМС, позволяющую автоматически и адаптивно формировать и обрабатывать сигналы наилучшим образом для выполнения целевых функций.
СОМС работают с многолучевыми сигналами, поэтому важнейшей частью системы должно стать математическое описание многолучевых каналов, разрабатываемое в наиболее общей, но полной форме. Известные математические модели [16-20] либо слишком индивидуальны, либо построены с ограничениями, существенно упрощающими модели, поэтому требуется разработать новые модели.
Другой не менее важной частью СОМС должны стать алгоритмы обработки сигналов при МКПС. Единый алгоритм управления для СОМС разработать можно только для простейших систем. Трудности создания общего единого алгоритма работы для сложных систем вызваны тем, что алгоритмы функционирования СОМС должны быть ориентированы на выполнение конкретных целевых функций систем, работающих с многолучевостью. Универсальные алгоритмы создать при этом сложно, так как управление сигналами, как правило, производится на разных этапах обработки информации с несовпадающими целевыми функциями этих этапов работы систем. Это и требует разделения СОМС на подсистемы с индивидуальными алгоритмами.
Большинство систем выполняет функции, разнесенные во времени и по пространству. Так функции формирования приспособленных к каналу сигналов и обеспечения эффективного энерговклада сигналов в многолучевые каналы сложная система реализует на передающей стороне, а функции обработки многолучевых сигналов выполняются на приемной стороне после прохождения информационного сигнала через многолучевой канал распространения. Для сОМС сложных систем трудность реализации алгоритмов разных подсистем также различна. Например, система высокочастотной накачки в волноводно-разрядное пространство газоразрядных СО2 лазеров имеет наиболее сложные алгоритмы обработки сигналов при формировании мощных ВЧ сигналов на транзисторных усилителях [ 5 ] и при согласовании выходного сопротивления генератора накачки с динамически меняющимся импедансом разрядного пространства лазера [ 6 ]. А система тропосферной радиосвязи, наоборот, имеет более сложные алгоритмы на приемной стороне при комбинировании разнесенных сигналов [ 7 ] в целях обеспечения максимальной помехоустойчивости при приеме информации.
Дополнительной трудностью создания универсальной СОМС является то, что алгоритмы управления подсистем могут быть не связаны между собой при выполнении сложной системой своих задач. Так в системах радиосвязи через каналы с переотражениями и рассеянием алгоритмы создания мощного сигнала на передающей стороне обычно не связаны с алгоритмами объединения разнесенных сигналов на приемной стороне. Отсутствие взаимосвязи алгоритмов затрудняет создание единой и моноблочной системы обработки многолучевых сигналов.
Построение эффективных систем обработки сигналов в таких условиях требует проведения декомпозиции сложной системы на подсистемы, обеспечивающие наилучшее решение каждой из задач. Так как целевые функции систем для разных этапов обработки сигналов обычно не совпадают, то и критерии эффективности систем обработки на этих этапах будут различны [ 16 ] и суммарная эффективность определится качеством реализации всех алгоритмов управления сигналами.
Успешная разработка научного направления по построению СОМС предполагает как создание математического описания многолучевых каналов передачи сигналов, так и пакета алгоритмов работы подсистем СОМС, основанных на математической модели МКПС.
Аналитическое описание многолучевых каналов передачи информации, как правило [ 1 ], имеет сложную форму. Это затрудняет анализ прохождения сигналов через такие каналы. Имеется также потребность в исследованиях сигналов в реальном масштабе времени, что сократит расходы на испытания систем, работающих в многолучевых каналах на реальных трассах передачи информации. Это, в свою очередь, приводит к необходимости разработки и создания имитатора МК и макетирования устройств, реализующих разработанные алгоритмы обработки сигналов. Для построения эффективной системы требуется исследовать алгоритмы обработки информации на разных этапах ее прохождения по комплексу ДТС от источника информации к потребителю и СОМС в таком случае определится суммой подсистем, работающих по разным алгоритмам, но в целом эти алгоритмы будут направлены на увеличение эффективности передачи и обработки сигналов. При таком подходе СОМС в комплексах тропосферной связи должна выполнять ряд функций: - сформировать сигналы, наилучшим способом приспособленные к каналу передачи сигналов; - добиться максимально полного энерговклада информационных сигналов в многолучевой радиоканал; - обеспечить эффективную обработку сигналов различных лучей распространения; - достичь минимальной зависимости качества обработки информации от присутствия помеховых сигналов путем их компенсации.
Медленные замирания и суточный ход параметров этого процесса
Один из наиболее простых методов имитации временных замираний основан на использовании управляемой линии задержки (УЛЗ). Структурная схема предлагаемого метода изображена на рис. 2.17. Генератор сигнала управления (ГСУ) вырабатывает сигнал, распределенный нормально, с квазипериодом, подчиняющимся рэлеевскому закону распределения, и управляет величиной задержки в УЛЗ. В схеме предусмотрена статистическая связь между различными моделируемыми лучами распространения, которая обеспечивается устройством статистической связи (УСС).
Статистическая связь осуществляется путем смешения в сумматоре управляющего сигнала г-го луча распространения с управляющим сигналом независимого генератора сигнала управления (1+1)-го моделируемого луча распространения. Необходимая величина статистической связи может быть обеспечена регулируемым усилителем, управляющим соотношением уровней этих сигналов.
Применяя в качестве УЛЗ многоотводную линию задержки, можно построить имитатор временных замираний по схеме, изображенной на рис. 2.18. Устройство состоит из генератора нормального шума (ГНШ), выход которого через усилительный каскад соединен с фильтром, имеющем регулируемую полосу пропускания (РФ).
Управляющий вход РФ через регулируемый усилитель РУ и фильтр соединен с генератором рэлеевского шума (ГРШ), который вырабатывает сигнал, управляющий полосой пропускания регулируемого фильтра в соответствии с законом распределения квазипериодов временных замираний.
Выход регулируемого фильтра через усилитель с согласующим устройством (СУ) соединен с аналогоцифровым преобразователем (АЦП), преобразующим сигнал управления в число - импульсный код. Сигнал с АЦП поступает на дешифратор (ДШ). Сигнал с дешифратора управляет коммутаторами (К). Коммутаторы соединяют выводы многоотводной линии задержки через усилители, выравнивающие амплитуду исследуемого сигнала, с сумматором, который является выходным устройством имитатора временных замираний.
При построении имитатора быстрых замираний необходимо разработать: устройство, генерирующее процесс с четырехпараметриче-ским законом распределения амплитуд и фаз сигнала; устройство, автоматически управляющее изменениями параметров этого закона (устройство управления параметрами - УУП); устройство переноса сформированных замираний на исследуемый сигнал. Передаточная функция ДТРК представляет собой узкополосный гауссовский процесс, для которого имеется определенная статистическая связь между средним модулем коэффициента передачи и дисперсией производной фазы. Эта статистическая зависимость не позволяет раздельно моделировать фазу и модуль коэффициента передачи, поэтому метод имитации быстрых замираний путем последовательной модуляции случайными процессами, соответствующими изменениям амплитуды и фазы исследуемого сигнала, неприемлем. Известные методы, основанные на функциональном преобразовании равномерно распределенного случайного процесса или сложении большого числа гармонических сигналов со случайными амплитудами и фазами, неприемлемы по той же причине.
Наиболее целесообразен в данном случае покомпонентный метод [64]. Он основан на том, что замирающий сигнал на выходе гауссовско-го канала на интервале локальной стационарности Тпс может быть представлен [57] в виде суммы ортогональных составляющих
Случайный процесс (2.35) может быть получен путем перемножения и затем суммирования квадратурных составляющих входного сигнала и ортогональных компонент коэффициента передачи. Для этого необходимы диапазонный фазовращатель на угол ф=90; два аналоговых перемножителя; сумматор. Реализовать диапазонный фазовраща 62 тель сложно, поэтому предпочтителен вариант имитатора замираний с промежуточным формированием поднесущей, флуктуирующей в соответствии с четырехпараметрическим законом распределения, и последующим переносом замираний на исследуемый сигнал путем однополосного преобразования в устройстве « перемножитель - полосовой фильтр» [65].
Функциональная схема генератора четырехпараметрического за-кона приведена на рис. 2.19. Параметры тх, ту, ах2, ау2 улучайных хроцессов X(t) и 7(t) управляются при помощи регулируемых усилителей напряжениями, поступающими от устройства управления параметрами (рис. 2.17). Устройство управления состоит из генератора тактовых импульсов (ПИ), делителя частоты (ДЧ), регистра сдвига {PC), делителей напряжения (ДН), выбором которых обеспечиваются необходимые реализации процессов управления, и узла согласования (УС), необходимого для управления быстрыми замираниями одновременно во всех моделируемых лучах распространения.
Характеристики устройства управления параметрами быстрых замираний основаны на известной [47] статистике изменения глубины быстрых замираний в зависимости от времени суток, на статистическом материале об отношении регулярной и флуктуирующей составляющих сигнала в ДТРК и рассчитанных зависимостях (см. рис. 2.2).
В соответствии с разработанной математической моделью тропосферного радиоканала и изложенными принципами реализации был изготовлен имитатор дальнего тропосферного радиоканала, позволяющий исследовать реальные системы ДТС и моделировать искажения радиосигналов при распространении через трассы, протяженностью от 200 до 600 км. Отметим, что рассматриваемый имитатор с незначительными изменениями может быть использован и для других каналов связи ( КВ, оптического и др.).
Созданный ИДТРК, внешний вид которого показан на рис. 2.22, был подвергнут экспериментальным исследованиям с целью: - изучения статических свойств (источники замираний отключались и все управляющие воздействия заменялись фиксированными напряжениями); - изучения динамических свойств (ИДТРК функционировал в реальном масштабе времени и все источники замираний воздействовали на исследуемый сигнал); - подтверждения подобия имитатора реальным каналам дальней тропосферной связи.
При проведении экспериментальных исследований использовалось оборудование типовых радиостанций Р-410М2. Структурная схема измерительной установки приведена на рис. 2.23. Установка работает следующим образом. Испытательный сигнал, вырабатываемый генератором типа Г4-37А, поступает на вход ИДТРК и через амплитудный детектор АД] и усилитель - на один вход фазо вого детектора (ФД). Второй вход ФД через усилитель и амплитудный детектор АД2 соединен с выходом усилителя промежуточной частоты (УПЧ) приемника (ПРМ),
Разработка алгоритма оценки помехоустойчивости устройств комбинирования сигналов методом автовыбора
Подставляя значения ВК из (3.35) в (3.27) и заменяя Яш на Яш +Rn, возможно получить выражение для отношения сиг-нал/помеха+шум для оптимального сложения при реализации фазирования по сигналу одной из ветвей. Указанное выражение имеет достаточно громоздкий вид, анализируя его можно также сделать вывод о существенном отличии получаемой при этом помехоустойчивости от оптимальной, определяемой (3.18), причем снижение помехоустойчивости сильно зависит от конкретных значений параметров помеховой обстановки, зависящих от матрицы ц.
Таким образом, обобщая результаты анализа объединения разнесённых сигналов путем оптимального сложения при различной практической реализации фазирования разнесенных сигналов, можно сделать вывод о том, что и в отсутствие внешних помех устройства не реализуют алгоритмы оптимального сложения, при 101 чем наличие аддитивного теплового шума по-разному влияет на помехоустойчивость связи при различных видах практической реализации алгоритма. Присутствие внешних помех сушественно снижает помехозащищенность, а практически используемые при этом алгоритмы объединения далеки от действительно оптимальных в новой помеховой обстановке.
Широкое распространение в современных системах тропосферной связи линейного сложения [52] обусловлено его более простой по сравнению с оптимальным сложением реализацией.
При линейном сложении модули всех взвешивающих коэффициентов равны единице, осуществляется лишь фазовая подстройка входных сигналов (при идеальной реализации линейного сложения по фазам полезных сигналов) т.е. ВК при этом (если реализуется идеальное фазирование и отсутствуют внешние помехи) отношение сигнал/шум где U - диагональная матрица размера N N, \мк\ - элементы ее главной диагонали.
Однако, как и в случае оптимального сложения, идеальная реализация не осуществима в практических условиях из-за присутствия в каждой ветви теплового шума. При практической реализации фазирование осуществляется также по выходному суммарному сигналу либо по одному из входных сигналов.
Если применить аналогичный подход для определения ВК, как и для оптимального сложения с формулой (3.21), то в результате получается трудноразрешимое матричное уравнение.
Для избежания этого введем вектор у, характеризующий фазы входных сигналов, каждый элемент которого
Таким образом, согласно полученному выражению (3.42) вектор ВК при линейном сложении с реализацией фазирования по выходному сигналу есть собственный вектор видоизмененной матрицы входных сигналов Rry, соответствующий ее наибольшему соб ственному числу (равному Ятах
Таким образом, не идеальность фазирования приводит также к снижению помехоустойчивости линейного сложения при практической реализации фазирования по сравнению с идеальной. Воздействие активных помех выражается в том, что матрица Rex принимает вид Rex = Rc + Rn + Rut, а выражение для помехоустойчивости
Здесь собственный вектор аи соответствующие ему максимальное собственное число 2тах определяются матрицей RTy, в которой в состав Хк входят внешние помехи.
Если фазирование при линейном сложении практически реализуется по одному из выходных сигналов, то, проделывая выкладки, аналогичные подобной реализации фазирования при оптимальном сложении, нетрудно прийти к выводу, что ВК в этом случае
Подстановка этой формулы в (3.27) дает очень громоздкое выражение для отношения сигнал/помеха + шум, которое существенно отличается от отношения сигнал/помеха + шум для линейного сложения с идеальным фазированием, равного
Анализируя выражения, определяющие ВК и помехоустойчивость связи при линейном сложении разнесенных сигналов с различными видами фазирования (формулы (3.36), (3.37), (3.42), (3.44)-(3.52)), можно прийти к выводу о том, что в отсутствие внешних помех линейное сложение даже при идеальной его реализации уступает оптимальному, на практике же присутствие тепловых шумов усиливает это различие. Воздействие внешних помех значительно снижает помехоустойчивость связи при любых видах фазирования, поскольку, существенным образом влияя на установление весовых коэффициентов, приводит к их значительному отличию от требуемых.
Алгоритм предполагает выбор одного сигнала из совокупности входных разнесенных сигналов и подачу его на выход. Выбор осуществляется согласно определенному правилу (в порядке возрастания сложности реализации): по максимальной мощности входного сигнала, по максимальной амплитуде полезного сигнала, по максимальному отношению сигнал/шум из совокупности входных сигналов.
Метод компенсации с повышенной универсальностью к виду помех
При формировании мощных высокочастотных сигналов применяют один из двух способов построения усилителей. Первый основан на применении активных элементов большой мощности. При этом сигнал многократно усиливается линейкой последовательно сформированныХв задающем генераторе с требуемыми характеристикамиАключённых всё более мощных усилителей. Выходной каскад в этом случае выполняют на электронных лампах, что снижает надежность аппаратуры, а использование высоковольтного питания создаёт трудности при эксплуатации и существенно увеличивает габариты устройств. С экономической точки зрения применение ламп в генераторах мощностью менее 1-3 кВт также невыгодно [123].
Другой путь построения мощных усилителей основан на применении нескольких мощных транзисторов и состоит в объединении их мощностей на общей нагрузке с помощью схем сложения мощностей [121-124]. Это приводит к усложнению схемы усилителя, из-за необходимости применения двух разветвлённых схем: деления мощности для возбуждения нескольких усилительных модулей и сложения мощностей этих модулей. В усилительных модулях обычно используют биполярные кремниевые транзисторы, поскольку применение полевых транзисторов не-оправдано, так как не удаётся обеспечить их высокоскоростными схемами защиты от возможных перегрузок [ 124 ].
Этот метод построения мощных усилителей за счёт суммирования ресурсов нескольких (обычно однотипных) транзисторных усилительных модулей при общей выходной мощности до 1-3 кВт оказался наилучшим и широко применяемым. Особенно явно положительные свойства модульного принципа получения больших мощностей можно продемонстрировать на примере построения мощных генераторов ВЧ накачки газоразрядных лазеров [125-130 .
Отличительные особенности таких мощных генераторов (МГ) высокой частоты заключены в модульном принципе построения и использовании нетрадиционных схем сложения мощностей. Например, МГ, изображенный на рис.5.1, имеет в схеме один синфазный делящий мост и двадцать квадратурных, что обеспечивает выходную мощность в 1 кВт. Разработанные автором приборы: генератор мощностью 450 Вт, изображённый на рис.5.2, реализован по типовой схеме с помощью четырнадцати квадратурных трехдецибельных мостов, а генератор с выходной мощность 250 Вт, изображённый на рис.5.3, построен с помощью шести квадратурных мостовых схем.
Модульный принцип построения имеет две положительные особенности, а именно: получение требуемой выходной мощности с помощью одинаковых усилительных каскадов и возможность увеличения выходной мощности за счёт роста количества усилительных модулей и мостовых схем сложения мощностей.
Другое позитивное качество генераторов высокой частоты достигается за счёт применения встроенных измерителей проходящей в нагрузку и отражённой от неё мощностей. Разница этих мощностей определяет энергию, переданную газоразрядной среде и наличие измерителей значительно расширяет исследовательские возможности приборов.
Измеряя комплексный коэффициент отражения, исследователь определит импеданс нагрузки [ 132 ], что позволит отслеживать изменение свойств антенно-фидерного устройства под влиянием каких-либо факторов и во времени.
Для подключения генераторов к антенне применяются фидерные устройства, которые имеют на выходе сложную цепь согласования выходного сопротивления генератора (50 Ом ) с импедансом нагрузки.
Усиление сигналов высокой частоты в неразветвлённых трактах усиления (ТУ), строящихся на биполярных транзисторах, проще всего осуществляется до уровня в 100-150 Вт. Например, на рис. 5.5 приведен внешний вид неразветвленного генератора мощностью до 50 Вт, предназначенного для использования в аппаратуре ДТС и в медицинской аппаратуре [ 125 ].
Транзисторный генератор мощностью 50 Вт [125 В качестве примера исполнения цепей согласования (ЦС) мощных каскадов с БДМ и БСМ на рис. 5.6 приведена топология входной и выходной цепей согласования усилительного модуля, выполненных в микрополосковом варианте на поликоре и работающих с сигналом частотой 120 Мгц при выходной мощности до 150 Вт [128]. Такие цепи согласования были использованы автором при построении передатчика, изображенного на рис.5.1.
Независимо от назначения передатчика выбор методов сложения мощностей ВЧ усилителей при этом ограничен. Связано это с тем, что параллельное соединение активных элементов и двухтактное включение усилителей использовать не следует из-за понижения при этом аппаратурной надежности, негативного влияния от объединения реактивностей активных элементов и невозможности обеспечения больших мощностей в нагрузке. Сложение сигналов в схемах с общим контуром, предложенных академиком Минцем, также неприемлемо из-за сложности построения составного контура на ВЧ и необходимости сложных автоматизированных регулировок при аварийных ситуациях в каком-либо из генераторов.
Поэтому для сложения мощностей наиболее принято использовать мостовые схемы.. Синфазные мосты, являясь многовходовыми, обеспечивают минимальное разветвление схемы сложения мощностей, однако квадратурные мосты обладают лучшей развязкой между входами [124].
