Введение к работе
Актуальность темы. Современные устройства связи требуют постоянного совершенствования для решения перспективных телекоммуникационных задач. При этом влияние радиоканала на работу систем связи в целом весьма значительно. Потенциальные возможности использования и перспективы развития различных систем во многом определяются техническими характеристиками радиооборудования, входящего в их состав.
Следует выделить следующие основные технические параметры, существенно влияющие на работу систем связи в целом: нестабильность радиочастоты, уровни побочных дискретных и шумовых составляющих в выходном спектре сигнала, а также скорость изменения выходных рабочих частот.
Для обеспечения этих параметров в технике широко применяются специальн е радиотехнические устройства - синтезаторы частот (СЧ). Именно СЧ определяют основные качественные характеристики систем связи, в том числе нестабильность частоты, шумы на выходе, быстродействие и надежность.
В этой связи, разработка высокоэффективных СЧ для систем связи имеет чрезвычайно большое значение.
Подавляющее большинство современных СЧ выполнено основе импульсных систем фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с частотно-фазовым управлением (ЧФУ). Такие СЧ обеспечивают высокие качественные характеристики и являются, фактически, наилучшими при оценке по критерию качество/цена. Наибольший вклад в исследование различных систем ИФАПЧ с ЧФУ в разные годы внесли: С.И.Евтянов, Н.В.Капранов, Г.М.Уткин, А.С.Галин, В.А.Левин, В.В.Шахгильдян, В.Манассевич, Д.Н.Шапиро, М.М.Зарецкий, А.В.Пестряков, А.И.Кабанов, В.Л.Карякин, А.А.Ляховкин, Ф.М.Гарднер, В.Ф.Эган, В.Ф.Кроупа, А.В.Рыжков, В.Н.Ерусланов, А.К.Макаров, В.Н.Белых, В.И.Борисов, Ю.А.Брюханов, А.Ф.Фомин, Ю.С.Щедров.
Особую актуальность приобретает научно-практические исследования синтезаторов на основе систем ИФАПЧ с ЧФУ, направленные на определение их качественных характеристик и предельных возможностей. Такие исследования представляют интерес для многих практических приложений в различных диапа-
зонах частот: от сотен МГц до единиц ГГц - для мобильных средств связи; от единиц ГГц до десятков ГГц - для спутниковых и радиорелейных линий
Научная новизна. Системы синтеза частот на основе ИФАПЧ
относятся к классу замкнутых импульсных систем автоматичес
кого регулирования с периодической нелинейностью в кольце. В
связи со сложностью математического описания таких устройств
их свойства и поведение, как систем управления, недостаточно
изучены. Поэтому для повышения их эффективности проводятся
исследования систем на основе новых математических моделей,
адекватно описывающих работу ИФАПЧ во временной и частотной
областях. В частности, нахождение частотной границы эффек
тивной работы ИФАПЧ позволяет максимально использовать по
тенциальные возможности СЧ при работе на высоких частотах.
Последнее обстоятельство отличает проводимые исследования от
известных. ы
Второй аспект новизны проводимых исследований связан с требованием широкого диапазона перестройки. Эта задача решается путем использования в кольце ИФАПЧ частотно-фазовых детекторов (ЧФД). Однако, при больших частотных расстройках значительно сказываются нелинейные свойства отдельных элементов кольца, и, в первую очередь, самого ЧФД. Указанные причины существенно усложняют исследование всей нелинейной системы ИФАПЧ с ЧФД в широком диапазоне перестройки по частоте и требуют новых широкополосных моделей для анализа.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и расчет динамических и спектральных характеристик синтезатора частот с частотно-фазовым управлением на основе новых математических моделей кольца ИФАПЧ с ЧФД, справедливых в широкой области параметров, а также разработка методики инженерного расчета качественных характеристик синтезатора для аппаратуры радиосвязи микроволнового диапазона.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие новые научно-практические задачи:
- получена нелинейная модель частотно-фазового детектора, справедливая в широкой области изменения параметров входных сигналов;
разработаны математическая модель системы ИФАПЧ с ЧФД для больших частотных расстроек с учетом влияния инерционных свойств детектора, а также динамическая модель - с учетом подавления дискретных помех на выходе системы;
подготовлены программные средства и проведены исследования динамических характеристик СЧ, представлена оценка предельного быстродействия системы;
разработаны программы для расчета динамических характеристик СЧ с учетом подавления дискретных компонент и проведено исследование влияния подавления на динамику системы;
представлена дискретная модель и получены соотношения для расчета шумов в спектре выходного сигнала ИФАПЧ с ЧФД; проведено исследование выходного спектра СЧ в зависимости от параметров кольца;
разработана инженерная методика расчета динамических и спектральных характеристик СЧ; а также предложены оригинальные технические решения по реализации СЧ.
Методы исследования В диссертации при решении поставленных задач используются теория непрерывных и импульсных систем автоматического регулирования, как автономных, так и неавтономных; аппарат разностных уравнений; преобразования Лапласа и Z-преобразования; теория фильтрации в импульсных системах управления; а также методика численного моделирования на персональном компьютере на языке TURBO PASCAL 7.0.
Практическая ценность. Материалы диссертационной работы являлись основной частью хоздоговорных НИР "Разработка и развитие теории нелинейных колебаний в дискретном времени. 1993-95 гг." и "Повышение эффективности систем фазовой синхронизации в технике связи. 1996-97гг." (шифр "Аспект-МТУСИ") по Программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи, подготовленной Министерством Связи Российской Федерации. НИР выполнялись в отраслевой лаборатории "Фазовой синхронизации" научно-исследовательской части Московского технического университета связи и информатики.
Результаты диссертационной работы внедрены в акционерном обществе "НЕВОС", созданном на базе Российского Института Мощного Радиостроения (РИМР), г.Санкт-Петербург, при проектировании синтезаторов частот и получили подтверждение на
- б -
практике. Имеется акт о внедрении результатов исследований.
Предложены конкретные инженерно-технические решения по реализации и повышению эффективности работы СЧ с ЧФД: частотно-фазовый детектор с расширенным диапазоном рабочих частот; устройство ФАПЧ для широкодиапазонного синтезатора с компенсацией нелинейности управляемого генератора: устройство поиска для широкодиапазонных СЧ с улучшенными качественными характеристиками; устройство поиска с повышенным быстродействием.
Сформулированные практические рекомендации могут быть использованы при разработке радиооборудования в новом диапазоне частот 1,8-1,9 ГГц для Европейских стандартов DCS (Digital Communication System) и DECT (Digital European Cordless Telephone).
Апробация результатов. Содержание диссертации докладывалось ее автором: на научно-технической конференции "Повышение качества и эффективности устройств синхронизации в системах связи" в 1993 г. в г.Ярославле; на 2-ой Международной научной школе-семинаре "Динамические и стохастические волновые явления" в Нижнем Новгороде в 1994 г.; на научно-техническом семинаре "Нелинейные свойства систем синхронизации" в Санкт-Петербурге в 1995 г.; на 3-ем международном семинаре специалистов "Нелинейная динамика электронных систем" в г.Дублине (Ирландия) (3rd International Specialist Workshop on Nonlinear Dynamics of Electronic System NDES-95) в 1995 г.; на международном симпозиуме по синхронизации в г.Эссене (Германия) (International Symposium on Synchronization) в 1995 г.; на 4-ом международном семинаре специалистов "Нелинейная динамика электронных систем" в г.Севилья (Испания) (NDES-96) в 1996 г.; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МТУСИ в 1995-1997 гг.; на 52-ой научной сессии, поев. Дню Радио в Москве 22 мая 1997 г.; на 5-ом международном семинаре специалистов "Нелинейная динамика электронных систем" в Москве (NDES-97) в июне 1997 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 17 печатных работах, включая технические предложения автора в области повышения эффективности работы
ИФАПЧ с ЧФД, защищенные 4 авторскими свидетельствами.
Объем работы. Перечисленные Еыше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, изложенной на 138 страницах машинописного текста, иллюстрированного 99 рисунками на 66 страницах. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 100 наименований, и 3 приложений. Объем приложений 4 0 страниц.
Основные положения, выносимые на защиту. В связи с решением в работе ряда задач по исследованию СЧ с ЧФД - на защиту выносятся следующие основные положения:
-
Математические модели СЧ на основе ИФАПЧ с ЧФД в виде систем автономных нелинейных разностных уравнений двух видов: стандартная - для исследования динамических характеристик при произвольном изменении частот сравнения; модифицированная - с учетом подавления дискретных составляющих на выходе синтезатора.
-
Модель ЧФД, справедливая для высоких входных частот и при условии их существенного неравенства.
-
Программы для расчета: характера переходного процесса, времени перестройки и области устойчивой работы в нелинейной системе - разработанные для двух моделей ИФАПЧ.
-
Результаты исследования динамических характеристик системы: зависимости характера .и длительности переходных процессов в СЧ от параметров кольца; возможность параметрической оптимизации времени перестройки; область устойчивой работы СЧ на основе ИФАПЧ с инерционным ЧФД.
-
Результаты исследования спектральных характеристик: соотношения для расчета уровня шума в спектре выходного сигнала СЧ; зависимости уровня шумов от параметров кольца.
-
Методика инженерного расчета динамических и спектральных характеристик СЧ с ЧФД.
Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.
