Содержание к диссертации
Введение
1 Влияние стабильности частоты генераторов на характеристики инфокоммуникационных и радиотехнических систем. основные направления исследований
1.1 Влияние стабильности частоты генераторов на характеристики радиотехнических систем передачи информации 14
1.2 Влияние стабильности частоты генераторов на характеристики радиотехнических систем определения координат 18
1.3 Анализ методов повышения стабильности генераторов в инфокоммуникационных и радиотехнических системах и устройствах 24
1.4 Направление научных исследований. Формулировка научной задачи 41
1.5 Выводы 46
2 Метод статистической стабилизации частоты одновременно и независимо работающих генераторов 49
2.1 Постановка задачи 49
2.2 Математическое обоснование метода статистической стабилизации частоты генераторов 52
2.3 Свойства получаемых оценок 63
2.4 Выводы 69
3 Результаты численного моделирования и оценка повышения стабильности частоты генераторов 71
3.1 Анализ повышения точности оценок длительности временного интервала и частоты генераторов 71
3.2 Оценка вариации Аллана при использовании метода статистической стабилизации частоты генераторов 73
3.3 Сопоставление метода ФАПЧ и статистического метода стабилизации частоты генераторов 77
3.4 Выводы 79
4 Практическая реализация метода статистической стабилизации частоты генераторов 82
4.1 Оценка методических погрешностей стабилизации частоты 82
4.2 Устройство статистической стабилизации частоты генераторов 93
4.3 Оценка эффективности применения статистического метода стабилизации частоты 99
4.4 Выводы 110
Заключение 113
Список использованной литературы.
- Влияние стабильности частоты генераторов на характеристики радиотехнических систем определения координат
- Математическое обоснование метода статистической стабилизации частоты генераторов
- Оценка вариации Аллана при использовании метода статистической стабилизации частоты генераторов
- Устройство статистической стабилизации частоты генераторов
Влияние стабильности частоты генераторов на характеристики радиотехнических систем определения координат
Функционирование инфокоммуникационных и радиотехнических систем различного назначения, включая системы сотовой связи и другие, происходит при воздействии большого числа различных факторов. При этом основным фактором, определяющим высокую эффективность функционирования инфокоммуникационных систем, сетей и радиотехнических устройств является обеспечение требуемой стабильности частоты. Это связано с тем, что именно от стабильности частоты генераторов зависит точность определения длительности временных отрезков и фаз сигналов, лежащих в основе организации информационного обмена [24-29].
Необходимость существенного повышения стабильности частоты колебаний, формируемых в системах сотовой связи, радиотехнических системах и устройствах, зачастую диктует требования к характеристикам стабильности генераторов, практически невыполнимые при традиционном подходе к решению задач и их построении. В связи с этим возникает необходимость поиска методов и устройств для повышения стабильности частоты генераторов, требующие принципиально новых идей.
Расширение круга задач, решаемых современными инфокоммуникационными системами, сетями и устройствами, внедрение новых технологий и достижение принципиально новых возможностей при их создании и развитии стимулировало в последние десятилетия интенсивное развитие способов и методов стабилизации параметров генераторов, включая также методы повышения стабильности частоты генераторов. Такое внимание к данному научному направлению в значительной степени определяется тем влиянием, которое оказывает стабильность формируемых в инфокоммуникационных и радиотехнических системах частот на качественные показатели данных систем и устройств. Основные области использования инфокоммуникационных систем, сетей и устройств представляют собой каналы и линии связи, включающие устройства, системы и сети для организации единичного, группового, регионального и глобального информационного обмена. Перечень вопросов, возникающих при проведении исследований в данном направлении, включает исследования, разработку, проектирование и эксплуатацию систем, сетей и устройств, обеспечивающих обмен информацией между абонентами. При этом наиболее важной составляющей в данной совокупности вопросов являются собственно научные, технические и технологические разработки инфокоммуникационных систем, сетей и устройств различного типа. Актуальным направлением является разработка новых принципов построения и работы устройств для генерации, передачи и приема сигналов.
Функционирование инфокоммуникационных систем и устройств различного назначения, включая радиотехнические системы, невозможно без обеспечения требуемой стабильности частоты сигналов. При этом основным фактором, определяющим высокую эффективность функционирования инфокоммуникационных систем, сетей и устройств является обеспечение требуемой стабильности частот. Это связано с тем, что именно от стабильности частот генераторов зависит точность определения длительности временных отрезков и фаз сигналов, лежащих в основе организации информационного обмена [24-29, 145, 147-149, 151, 152, 157].
В системах сотовой связи и устройствах для информационного обмена широко используются широкополосные сигналы, формируемые с использованием цифровых методов. Воздействие различных факторов, таких как джиттер и вандер сигналов, нестабильность частоты сигналов могут приводить к срыву синхронизации и уменьшению уровня сигнала на выходе устройства корреляционной обработки. Наиболее наглядно влияние указанных факторов может быть продемонстрировано на примере влияния нестабильности частоты генераторов, входящих в состав систем радиосвязи. Нестабильность частоты генераторов передатчика и приемника приводит к изменению автокорреляционной функции ШПС. Вследствие суммарного отклонения частот генераторов от номинальных значений на величину А/ амплитуда главного пика АКФ, определяемая выражением [24], равна
Математическое обоснование метода статистической стабилизации частоты генераторов
Стабильность частоты, являющаяся, как было показано выше, одним из важнейших факторов, определяющим эффективность применения радиотехнических систем, представляет собой в то же время основную характеристику периодических процессов, а также характеристику приборов и устройств, генерирующих периодические колебания. Стабильность частоты отображает влияние флуктуационных процессов, протекающих в радиоэлектронном устройстве, и зависит от изменений параметров генератора колебаний вследствие внешних воздействий.
Стабильность частоты называют естественной, если она ограничена флуктуациями, возникающими внутри источника колебаний, например, вследствие тепловых движений или флуктуации тока. Стабильность частоты, определяемую изменениями параметров генератора под влиянием внешних воздействий, называют технической. Техническая стабильность частоты определяется медленными или скачкообразными изменениями его параметров [33].
Необходимость стабилизации частоты радиопередающих и радиоприемных устройств, являющихся составной частью инфокоммуникационных систем и устройств, наиболее остро проявилась уже в начале тридцатых годов [34-43]. В этот период усилия ученых были направлены на повышение стабильности элементов автогенераторов, формирующих колебания, и, прежде всего, колебательного контура, являющегося его нагрузкой. Разработкой теоретических основ стабилизации частоты и принципов построения стабильных автогенераторов высокой частоты занимались советские ученые Ю.Б. Кобзарев, М.С. Нейман и др. Были проведены научные работы по исследованию дестабилизирующих факторов и разработаны технические решения по их нейтрализации. В частности, применены методы экранировки генераторов от внешних электромагнитных полей; снижено характеристическое сопротивление контура; применены сплавы с малым температурным коэффициентом емкости; повышена жесткость монтажа автогенераторов и ряд других конструкторских и технологических решений.
В этот же период появились идеи применения колебательных контуров с кварцем. При этом разрешалось противоречие между повышением мощности генератора и уменьшением влияния на его параметры внешних цепей. Эти противоречия наиболее удачно разрешены в кварцевом автогенераторе на пентоде (схема Шембеля).
Стабилизация частоты одного генератора не решала проблему диапазонной настройки радиопередатчика. Поэтому параллельно развивались методы диапазонно-кварцевой стабилизации частоты. Так советским ученым Г.А. Зайтленком были предложены интерполяционные схемы диапазонной стабилизации. В основу схем положено комбинационное взаимодействие частот двух генераторов, один из которых стабилизирован кварцем.
В настоящее время по мере развития инфокоммуникационных систем и устройств требования к стабильности частоты продолжают возрастать. Усилия разработчиков сосредоточены на следующих основных направлениях, приведенных на рисунке 1.4:
Классификация методов стабилизации частоты К настоящему времени разработано множество схем стабилизации, позволяющих получить достаточно высокую стабильность частоты в широком диапазоне перестройки передатчика. Классификация методов стабилизации приведена на рисунке 1.4 [36, 37, 39, 43]. Все методы стабилизации можно разделить на две группы:
Конструктивно они представляют собой кварцевую пластину, помещенную между обкладками кварцедержателя. Укажем на некоторые из существующих технических решений по параметрической стабилизации частоты автогенераторов.
Температурная стабилизация частоты автогенератора предназначена для компенсации дестабилизирующего воздействия температуры окружающей среды и включает следующие технические решения: - применение температурно-стабильных элементов генератора; - термостатирование колебательной системы или ее элементов; - термостабилизация режима работы активного элемента автогенератора. Для оценки влияния температуры на частоту автогенератора вводят понятие температурного коэффициента частоты, который равен относительному изменению частоты на один градус изменения температуры.
Температурно-стабильные кварцевые резонаторы, предназначенные для работы в генераторах, имеют плоскую температурную характеристику и соответственно стабильные характеристики в определенном температурном диапазоне, как правило, составляющем 70-80C. Температурный коэффициент частоты в таких автогенераторах без термостабилизации имеет величину порядка 10-4... 10 5 [37, 38, 43]. Это ограничивает потенциально достижимую стабильность частоты автогенератора.
В случае необходимости получения более высокой стабильности можно применять конденсаторы с противоположными по знаку ТКЕ, например, керамические конденсаторы на двуокиси титана (тикондовые конденсаторы). Подбором конденсаторов с различными значениями ТКЕ и схемы их включения в колебательном контуре автогенератора можно обеспечить снижение ТКЧ и, как следствие, уменьшение нестабильности до величины 10-6.
Другим способом уменьшения влияния температуры является термостатирование. Оно заключается в установке колебательного контура автогенератора или его элементов в термоизолированную камеру (термостат), где поддерживается температура выше температуры окружающей среды (обычно 600-700С) с точностью порядка 0,01-0,0010С. Чаще всего термостатирование применяется в сочетании с другими методами. Например, термостатирование кварцевых генераторов позволяет
Оценка вариации Аллана при использовании метода статистической стабилизации частоты генераторов
Вариация Аллана является специализированной статистикой для исследования стабильности генераторов частоты. Для к-го генератора вариация Аллана частоты определяется соотношением [11, 130-133] где fkm и fkm+\ - среднее значение частоты к-го генератора (к = \,...,К) на т-м и {т + \)-м отрезках длительностью т соответственно; М - число отрезков длительностью т на временном интервале измерений t0. Вариация Аллана позволяет описывать стабильность частоты на различных интервалах усреднения, начиная от периода, равного интервалу между отсчетами [11, 131, 133]. В этом случае значения fkm представляют собой обобщенные измерения, являющимися средними значениями частоты в течение отрезка длительностью т.
При анализе повышения стабильности частоты генераторов, достигаемого при использовании разработанного в диссертации метода, наибольший интерес представляет не само значение вариации Аллана частоты генератора, а его изменение по отношению к исходному значению без использования стабилизации. В соответствии с этим будем рассматривать соответственно отношение вариации Аллана значений Sfk к вариации Аллана отклонения Afk частоты к -го генератора от номинального значения.
Зависимость отношения R(T) для случая генераторов с различными номинальными частотами и одинаковыми относительными нестабильностями Рисунок 3.7 - Зависимость отношения R(T) для случая генераторов с одинаковыми номинальными частотами и различными относительными нестабильностями
Минимальный интервал усреднения г = 10 6 с соответствует десяти периодам колебаний сигнала номинальной частоты при работе всех генераторов с одинаковыми частотами. Необходимо также отметить, что характерный вид зависимости R(T) в каждом случае практически оставался неизменным для всех К генераторов, в связи с чем на каждом графике приводится только одна зависимость.
Зависимость отношения R(T) для случая генераторов с различными номинальными частотами и относительными нестабильностями Как показывают приведенные зависимости, отношение вариации Аллана нескомпенсированного отклонения частоты к-го генератора к собственно отклонению частоты этого генератора практически не зависит от длительности интервала усреднения. Изменения величины R(T) определяется только случайным характером отклонений частот на временном интервале измерения. Данный результат может быть объяснен следующим образом. Величина вариации Аллана частоты для генераторов монотонно снижается при увеличении длительности интервала усреднения, что соответствует уменьшению дисперсии измерений при многократных измерениях [130-133]. В то же время в предлагаемом методе аналогом многократных измерений во временной области является однократное измерение отклонения длительности временного интервала с помощью системы одновременно и независимо работающих генераторов. В соответствии с этим независимо от длительности интервала измерения при ограниченном количестве К генераторов отношение R(T) будет приблизительно равно 4к .
Для подтверждения последней зависимости проведены дополнительные исследования вариации Аллана частоты для случая двадцати генераторов с одинаковыми номинальными частотами
Как показывает анализ полученных результатов отношение значений вариации Аллана частоты для = 10 и К = 20 генераторов приблизительно равно 1,41, что подтверждает сделанный выше вывод. Таким образом, применение предложенного метода позволяет уменьшить вариацию Аллана частоты генераторов, как и дисперсию оценки частоты генератора. При этом закономерности, связывающие уменьшение значения вариации Аллана отклонения частоты генераторов, и закономерности, связывающие уменьшение дисперсии оценки отклонения частоты генераторов, совпадают.
Одним из наиболее широко используемых методов стабилизации частот генераторов является, как отмечалось выше, метод ФАПЧ [46-49]. Необходимо отметить, что при использовании в качестве генератора, задающего временной интервал измерений (А 1-го генератора) высокостабильного генератора предложенный метод фактически совпадает с методом ФАПЧ. В этом случае дисперсия длительности временного интервала измерений и соответственно с этим вклад этой составляющей в отклонение измеряемой фазы сигналов генераторов от номинальных значений по сравнению с составляющей, обусловленной нестабильностью самого к -го генератора.
Однако предлагаемый метод позволяет объединить генераторы другим образом, используя в качестве К + 1-го генератора один из генераторов с меньшей стабильностью. При таком построении системы стабилизации, как показывают результаты исследований, дисперсия оценки временного интервала измерений будет меньше, чем дисперсия формируемого высокостабильным генератором временного интервала. Для подтверждения данного вывода рассмотрим случай системы, включающей К + 1 генератор, один из которых имеет значительно более высокую стабильность частоты по сравнению с остальными. В частном, но позволяющем наиболее наглядно продемонстрировать основные закономерности случае, будем считать, что нестабильности и номинальные частоты остальных К генераторов одинаковы. Результаты исследований, определяющих дисперсию оценки отклонения длительности временного интервала измерений от номинального значения для одного высокостабильного генератора и К генераторов с меньшей стабильностью, приведены на рисунке 3.9. При проведении исследований стабильность одного из генераторов принималась равной
Приведенные результаты подтверждают и расширяют полученные выше результаты. В частности, для совокупности генераторов с одинаковыми нестабильностями и номинальными частотами увеличение числа генераторов приводит к уменьшению дисперсии оценки отклонения длительности временного интервала от номинального значения по закону, определяемому формулой (2.29).
При наличии в совокупности К генераторов одного генератора с нестабильностью много меньшей, чем у остальных (на порядок и более) на графике могут быть выделены два участка (кривая ). Первый участок при небольшом числе К генераторов, на котором оценка отклонения длительности временного интервала от номинального значения практически остается постоянной. На данном участке вклад генераторов с невысокой стабильностью частоты является незначительным. Второй участок графика характеризуется уменьшением дисперсии при увеличении числа генераторов. При этом добавление большого числа генераторов (более 100) даже с меньшей стабильностью позволяет существенно уменьшить ошибку в оценке отклонения длительности временного интервала от номинального значения. При повышении стабильности одного из генераторов длина первого участка графика увеличивается (кривая А ). Дальнейшее повышение стабильности одного из генераторов приводит к еще большему увеличению первого участка. В этом случае точность задания длительности временного интервала измерений, точность оценивания отклонения частоты генераторов от номинальных значений и соответственно возможность повышения их стабильности определяются высокостабильным генератором. Это соответствует переходу рассматриваемого метода стабилизации частоты фактически в метод ФАПЧ.
Устройство статистической стабилизации частоты генераторов
Приведенный на рисунке 4.7 график иллюстрирует случай, рассмотренный в подразделе 2.5. Оценка At, полученная с использованием генераторов Г1-Г5 имеет значительно большую дисперсию, равную 6,2 -10"7, по сравнению с нестабильностью генератора Г6, что приводит к снижению эффективности в 3,1 раза. В случае объединения генераторов Г2 Г6 происходит уменьшение дисперсии оценки Д до 0,13-10-6 по сравнению с 0,2-10-6 для одиночного генератора Г6, что приводит к повышению эффективности в 1,54 раза.
Рассмотренный в пункте 4.3.4 случай позволяет соотнести области применения методов стабилизации частоты, в частности метода ФАПЧ и предлагаемого метода. Так для совокупности генераторов с одним высокостабильным генератором и относительно небольшим числом генераторов с меньшей стабильностью при использовании предлагаемого метода необходимо объединять в группу для формирования оценки длительности временного интервала генераторы с наибольшей стабильностью, в том числе и высокостабильный генератор. Получаемая в этом случае оценка отклонения длительности временного интервала от номинального значения будет иметь меньшую дисперсию по сравнению относительной нестабильностью формирования самого интервала при использовании высокостабильного генератора.
Проведенные исследования позволили определить методические ошибки, возникающие при использовании предлагаемого метода оценивания частот генераторов. Данные ошибкам связаны с допущениями о точно известных значениях номинальных частот и стабильностей генераторов, а также о постоянном значении частоты (соответственно и отклонения частоты от номинального значения) на интервале измерений.
Полученные аналитические соотношения связывают методические ошибки при использовании разработанного метода с ошибками задания исходных параметров генераторов, таких как номинальная частота и стабильность частоты каждого генератора. При этом результаты, получаемые с использованием данного метода, являются менее чувствительными к неточностям задания параметров генераторов по сравнению с отклонением самих параметров. 4.4.2 Проведенный анализ влияния различных факторов на методическую ошибку, связанную с допущением о постоянном значении частоты на интервале измерений позволил получить уравнение, решение которого определяет длительность временного интервала, при которой методическая ошибка будет минимальной. 4.4.3 Предложенное техническое решение, функционирующее на основе разработанного метода, обеспечивает стабилизацию частоты генераторов в течение длительного периода эксплуатации и большом диапазоне изменения внешних условий. Это достигается использованием устройства формирования корректирующих коэффициентов, включающего в свой состав блоки анализа и хранения изменения параметров генераторов при различных внешних воздействиях. 4.4.4 Анализ применения предлагаемого метода стабилизации частоты в различных радиотехнических системах, в частности синтезаторе частоты, системе сотовой связи, пилотажно-навигационном комплексе самолета и групповой мере частоты и времени позволяет оценить эффективность применения данного метода. Можно отметить, что для синтезатора частоты по методу прямого синтеза, включающего в свой состав двенадцать генераторов, функционирующих на различных частотах с одинаковой относительной стабильностью частоты, использование предлагаемого метода стабилизации частоты позволяет повысить стабильность частот формируемых сигналов, соответственно и точности определения радионавигационных параметров не менее чем в 2,9 раза.
Для системы сотовой связи применение предлагаемого метода позволяет в каналах передачи информации между базовыми станциями и центром коммутации повысить стабильность частоты генераторов и снизить вероятность битовой ошибки при передаче цифровых сигналов на два порядка.
Использование предлагаемого метода стабилизации частоты генераторов для радиотехнических систем, входящих в состав пилотажно-навигационного комплекса, позволит повысить стабильность частоты генераторов позволит повысить тактико-технические характеристики пилотажно-навигационного комплекса, в частности, снизить ошибку определения координат самолета по наклонной дальности и по азимуту в два раза. Это, в свою очередь, даст возможность повысить безопасность и экономичность полетов.
При формировании групповой меры частоты и времени с использованием системы из шести генераторов, один из которых имеет относительную нестабильность 0,2 -10"6, а остальные 110"6 применение разработанного метода позволяет уменьшить относительную нестабильность формируемых частот и длительностей временных интервалов с 0,2-10"6 до 0,13-10-6. При увеличении числа используемых генераторов относительная нестабильность формируемых частот и временных интервалов будет уменьшаться.
